DE10394052T5

DE10394052T5 - PEM fuel cell with a branched middle section having flow field

Info

Publication number: DE10394052T5
Application number: DE10394052T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Allan Rock; Pinkhas A. Rapaport
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-11-17
Also published as: WO2004070859A1; JP2006514404A; AU2003293466A1

Abstract

PEM-Brennstoffzelle mit (1) einer Protonenaustauschmembran, die entgegengesetzte Kathoden- und Anodenseiten auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufweist, (2) einem gasdurchlässigen, elektrisch leitenden Stromkollektor, der mit zumindest einer der Seiten in Eingriff steht, (3) einer Stromsammelplatte, die mit dem gasdurchlässigen Stromkollektor in Eingriff steht und ein Gasströmungsfeld definiert, das zu dem gasdurchlässigem Stromkollektor weist, wobei das Strömungsfeld eine Vielzahl von Stegen umfasst, die mit dem gasdurchlässigen Stromkollektor in Eingriff stehen und eine Vielzahl von Gasströmungskanälen definieren, wobei jeder der Strömungskanäle besitzt: (a) einen Einlassschenkel, der mit einem Lieferverteiler in Verbindung steht, der ein Reaktandengas an alle Strömungskanäle liefert, (b) einen Austrittsschenkel, der mit einem Austragsverteiler in Verbindung steht, der das Reaktandengas von allen Strömungskanälen aufnimmt, und (c) einen verzweigten Mittelabschnitt zwischen den Schenkeln, der einen ersten und zweiten Abzweig umfasst, von denen jeder ein erstes Ende, das mit dem Einlassschenkel in Verbindung steht, und ein zweites Ende aufweist, das mit dem Austrittsschenkel...PEM fuel cell with (1) a proton exchange membrane, the opposite cathode and anode sides on opposite sides of the membrane, (2) a gas-permeable, electrically conductive current collector connected to at least one of (3) a power collector plate, which engages with the gas permeable Current collector is engaged and defines a gas flow field, the too the gas permeable Current collector has, wherein the flow field a plurality of Includes webs which engage with the gas permeable current collector and define a plurality of gas flow channels, each one the flow channels has: (a) an inlet leg communicating with a delivery manifold providing a reactant gas to all flow channels, (b) an exit leg, which is in communication with a discharge manifold containing the reactant gas from all flow channels, and (c) a branched middle section between the legs, comprising a first and second branch, each one of first end communicating with the inlet leg, and having a second end connected to the exit leg ...

Description

Diese Anmeldung ist eine Continuation-In-Part der U.S. Patentanmeldung US Seriennr. 10/356,672 (nun fallengelassen), eingereicht am 31. Januar 2003 im Namen von Jeffrey Rock, und auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen.These Application is a continuation-in-part of U.S. Pat. Patent application US serial no. 10 / 356,672 (now dropped), filed January 31 2003 in the name of Jeffrey Rock, and assigned to the assignee of this application.

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL TERRITORY

Diese Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und insbesondere die Reaktandenströmungsfelder dafür.These This invention relates to PEM fuel cells, and more particularly to the reactant flow fields for this.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION

Brennstoffzellen sind für viele Anwendungen als eine Energie- bzw. Antriebsquelle vorgeschlagen worden. Eine derartige Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (d.h. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle). PEM-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und umfassen in jeder ihrer Zellen eine sogenannte "Membranelektrodenanordnung" (nachfolgend MEA) mit einem dünnen (d.h. ca. 0,0015–0,007 Inch) protonenleitenden Polymermembranelektrolyten, der einen Anodenelektrodenfilm (d.h. ca. 0,002 Inch) aufweist, der auf einer seiner Seiten ausgebildet ist, und einen Kathodenelektrodenfilm (d.h. ca. 0,002 Inch) aufweist, der auf seiner entgegengesetzten Seite ausgebildet ist. Derartige Membranelektrolyte sind in der Technik gut bekannt und in solchen U.S. Patenten be schrieben, wie 5,272,017 und 3,134,697 , wie auch in dem Journal of Power Sources Band 29 (1990), Seiten 367–387 und folgende. Allgemein werden derartige Membranelektrolyte aus Ionentauscherharzen hergestellt und umfassen typischerweise ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer, wie beispielsweise NAFION^TM, das von E. I. DuPont de Nemours & Co. erhältlich ist. Die Anoden- und Kathodenfilme umfassen andererseits typischerweise (1) fein geteilte Kohlenstoffpartikel, sehr fein geteilte katalytische Partikel, die an den Innen- und Außenflächen der Kohlenstoffpartikel getragen sind, und protonenleitendes Material (beispielsweise NAFION^TM), das mit den katalytischen Partikeln und Kohlenstoffpartikeln vermischt ist, oder (2) katalytische Partikel ohne Kohlenstoff, die über einen Polytetrafluorethylenbinder (PTFE-Binder) verteilt sind. Eine derartige MEA und Brennstoffzelle ist in dem U.S. Patent 5,272,017 beschrieben, das am 21. Dezember 1993 erteilt wurde und auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist.Fuel cells have been proposed for many applications as a source of energy. One such fuel cell is the PEM fuel cell (ie, proton exchange membrane fuel cell). PEM fuel cells are well known in the art and comprise in each of their cells a so-called "membrane electrode assembly" (hereafter MEA) with a thin (ie, about 0.0015-0.007 inch) proton-conducting polymer membrane electrolyte containing an anode electrode film (ie, about 0.002 inches ) formed on one of its sides and having a cathode electrode film (ie, about 0.002 inches) formed on its opposite side. Such membrane electrolytes are well known in the art and described in such US Patents as 5,272,017 and 3,134,697 as well as in the Journal of Power Sources Volume 29 (1990), pages 367-387 and following. Generally, such membrane electrolytes are made from ion exchange resins and typically comprise a perfluorinated sulfonic acid polymer, such as NAFION ^™ , available from EI DuPont de Nemours & Co. The anode and cathode films, on the other hand, typically include (1) finely divided carbon particles, very finely divided catalytic particles carried on the inner and outer surfaces of the carbon particles, and proton conductive material (e.g., NAFION ^™ ) that mixes with the catalytic particles and carbon particles or (2) non-carbon catalytic particles distributed over a polytetrafluoroethylene binder (PTFE binder). Such an MEA and fuel cell is disclosed in the US patent 5,272,017 described on 21 December 1993 and assigned to the assignee of the present invention.

Die MEA ist zwischen Lagen aus porösem, gasdurchlässigem, leitendem Material schichtartig angeordnet, das als "Diffusionslage" bezeichnet wird, die an die Anoden- und Kathodenseiten der MEA gepresst wird und als (1) die Primärstromkollektoren für die Anode und Kathode und (2) als mechanische Abstützung für die MEA dient. Geeignete derartige Primärstromkollektorlagen umfassen Kohlenstoff- oder Graphitpapier oder -gewebe, feinmaschige Edelmetallsiebe und dergleichen, durch die das Gas diffundieren oder hindurchgetrieben werden kann, um mit der MEA, die unter den Stegen liegt, in Kontakt zu treten, wie es in der Technik gut bekannt ist.The MEA is between layers of porous, gas-permeable, layered conductive material, which is referred to as "diffusion layer", the is pressed to the anode and cathode sides of the MEA and as (1) the primary current collectors for the Anode and cathode and (2) serves as mechanical support for the MEA. suitable such primary current collector layers include carbon or graphite paper or fabric, fine mesh Precious metal sieves and the like, through which the gas diffuse or can be forced to interact with the MEA, which under the Stegen is in contact, as is well known in the art is.

Der somit gebildete Schichtaufbau wird zwischen einem Paar elektrisch leitender Platten gepresst, die als Sekundärstromkollektoren dienen, um den Strom von den Primärstromkollektoren zu sammeln und Strom zwi schen benachbarten Zellen innerhalb des Stapels (d.h. in dem Fall bipolarer Platten) und außerhalb des Stapels (d.h. in dem Fall monopolarer Platten an den Enden des Stapels) zu leiten. Die Sekundärstrom sammelnden Platten enthalten jeweils zumindest ein aktives Gebiet, das ein sogenanntes "Strömungsfeld" bzw. "Flow Field" umfasst, das die gasförmigen Reaktanden (beispielsweise H₂ oder O₂/Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der Anode und Kathode verteilt. Das Strömungsfeld umfasst eine Vielzahl von Stegen, die mit dem Primärstromkollektor in Eingriff stehen und dazwischen eine Vielzahl von Nuten oder Strömungskanälen definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden zwischen einem Lieferverteiler in einem Sammelleitungsgebiet der Platte an einem Ende des Kanals und einem Austragsverteiler in einem Sammelleitungsgebiet der Platte an dem anderen Ende des Kanals strömen.The layer structure thus formed is pressed between a pair of electrically conductive plates which serve as secondary current collectors to collect the current from the primary current collectors and current between adjacent cells within the stack (ie in the case of bipolar plates) and outside the stack (ie in in the case of monopolar plates at the ends of the stack). The secondary flow collecting plates each include at least one active region comprising a so-called "flow field" which distributes the gaseous reactants (eg, H ₂ or O ₂ / air) of the fuel cell over the surfaces of the anode and cathode. The flow field includes a plurality of lands that engage the primary flow collector and define therebetween a plurality of grooves or flow channels through which the gaseous reactants between a supply manifold in a manifold region of the plate at one end of the channel and a discharge manifold in a manifold region Pour plate on the other end of the channel.

Die Druckunterschiede (1) zwischen dem Lieferverteiler und dem Austragsverteiler und (2) zwischen benachbarten Strömungskanälen oder -segmenten desselben Strömungskanals sind von erheblicher Wichtigkeit bei der Konstruktion einer Brennstoffzelle. Es sind serpentinenartige Kanäle verwendet worden, um gewünschte Druckunterschiede von Verteiler zu Verteiler wie auch Zwischenkanal-Druckunterschiede zu erreichen. Serpentinenartige Strömungskanäle besitzen eine ungerade Anzahl von Schenkeln, die sich in Gestalt von Spitzkehren zwischen den Liefer- und Austragsverteilern des Stapels erstrecken. Die serpentinenartigen Strömungskanäle verwenden verschiedene Breiten, Tiefen und Längen, um die Druckunterschiede zwischen den Liefer- und Austragsverteilern zu variieren, und können so ausgebildet sein, um einen Teil des Reaktandengases über die Stege hinweg zwischen benachbarten Strömungskanälen oder zwischen benachbarten Segmenten desselben Strömungskanals über die Stromsammel-Diffusionslage zu treiben, um die MEA, die zu dem die Schenkel trennenden Steg weist, dem Reaktanden auszusetzen. Bei spielsweise kann ein Teil des Gases von einem oberstromigen Schenkel eines Strömungskanals (d.h. wo der Druck höher ist) zu einem parallelen unterstromigen Schenkel desselben Strömungskanals (d.h. wo der Druck niedriger ist) durch Bewegung durch die Diffusionslage, die mit dem Steg in Eingriff steht, strömen, der den oberstromigen Schenkel von dem parallelen unterstromigen Schenkel trennt. Es sind auch nicht serpentinenförmige Strömungskanäle vorgeschlagen worden, die sich mehr oder weniger direkt zwischen den Liefer- und Austragsverteilern d.h. ohne Windungen vom Haarnadel-/Spitzkehren- bzw. Serpentinentyp darin, und daher in kürzeren Längen erstrecken, als die serpentinenartigen Strömungskanäle.The pressure differences (1) between the delivery manifold and the discharge manifold and (2) between adjacent flow channels or segments of the same flow passage are of considerable importance in the design of a fuel cell. Serpentine type channels have been used to achieve desired manifold to manifold pressure differences as well as interchannel pressure differences. Serpentine flow channels have an odd number of legs that extend in the form of switchbacks between the supply and discharge manifolds of the stack. The serpentine flow channels utilize various widths, depths and lengths to vary the pressure differences between the delivery and discharge manifolds and may be configured to collect a portion of the reactant gas across the lands between adjacent flow channels or between adjacent segments of the same flow channel via the stream To drive the diffusion layer to expose the MEA facing the leg separating ridge to the reactant. For example, a portion of the gas from an upstream leg of a flow channel (ie, where the pressure is higher) to a parallel downstream leg of the same flow channel (ie, where the pressure is lower) by movement through the diffusion layer, which is engaged with the web, pour, the separates the upstream leg from the parallel downstream leg. Also, non-serpentine flow channels have been proposed which extend more or less directly between the delivery and dispensing manifolds, ie, without hairpin / pointed serpentine type windings therein, and therefore shorter lengths, than the serpentine flow channels.

Strömungsfeldkonstrukteure versuchen, das aktive Gebiet des Sekundärstromkollektors mit einer Vielzahl von Strömungskanälen zur gleichförmigen Verteilung des Brennstoff- bzw. Oxidationsmittelgases über das aktive Gebiet zu versehen. Hierzu war die Anzahl von Strömungskanälen, die in dem aktiven Gebiet der Platte vorgesehen werden konnte, durch den Sammelleitungsraum begrenzt, der für die H₂- und O₂-Verteiler verfügbar war. Diesbezüglich waren die Abschnitte der Sammelleitungen, die zur Formung von jedem der H₂- und O₂-Verteiler verfügbar waren, relativ klein (beispielsweise < ca. 1/2 des gesamten Sammelleitungsraumes, der für alle Verteiler verfügbar war), was in einer Überfüllung der Strömungskanäle in der Nähe der Liefer- und Austragsverteiler führte (d.h. in der Nähe, wo sich die Strömungskanäle und die Verteiler treffen). Weniger Strömungskanäle resultieren in höheren Druckabfällen von Verteiler zu Verteiler und erfordern mehr Energie, um die Reaktandengase durch das Strömungsfeld zu pumpen.Flow field designers attempt to provide the active region of the secondary flow collector with a plurality of flow channels for uniform distribution of the fuel or oxidant gas over the active region. To this end, the number of flow channels that could be provided in the active area of the plate was limited by the manifold space available for the H ₂ and O ₂ manifolds. In this regard, the portions of the manifolds available to form each of the H ₂ and O ₂ manifolds were relatively small (e.g., <about 1/2 of the total manifold space available for all manifolds), resulting in overfill the flow channels near the supply and discharge manifolds (ie near where the flow channels and manifolds meet). Fewer flow channels result in higher pressure drops from manifold to manifold and require more energy to pump the reactant gases through the flow field.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Strömungsfeld einer PEM-Brennstoffzelle gerichtet, das Strömungskanäle mit verzweigten Mittelabschnitten angrenzend an Einlass- und Austrittsschenkel aufweist, die mit den Liefer- und Austragsverteilern in Verbindung stehen, wodurch geringere Druckabfälle von Verteiler zu Verteiler möglich sind. Überdies sehen verzweigte Strömungskanäle alternative Routen für das Reaktandengas vor, um in einem einzelnen Strömungskanal zu strömen, wenn eine der Verzweigungen eines Strömungskanals mit Wasser verstopft wird. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine PEM-Brennstoffzelle mit einem gasdurchlässigen, elektrisch leitenden Stromkollektor, der mit zumindest einer Seite einer MEA in Eingriff steht, und einer Stromkollektorplatte, die mit dem gasdurchlässigen Stromkollektor in Eingriff steht und ein Gasströmungsfeld definiert, das zu dem gasdurchlässigen Stromkollektor weist. Das Strömungsfeld umfasst eine Vielzahl von Stegen, die mit dem gasdurchlässigen Stromkollektor in Eingriff stehen, und definiert eine Vielzahl von Gasströmungskanälen, von denen jeder (a) einen Einlassschenkel, der mit einem Verteiler zur Lieferung von gasförmigem Reaktand in Verbindung steht, (b) einen Austrittsschenkel, der mit einem Verteiler zum Austrag von gasförmigem Reaktand in Verbindung steht, und (c) einen verzweigten Mittelabschnitt zwischen den Einlass- und Austrittsschenkeln aufweist, der zumindest einen ersten und zweiten Abzweig umfasst, von denen jeder ein erstes Ende, das mit dem Einlassschenkel in Verbindung steht, und ein zweites Ende umfasst, das mit dem Austrittschenkel in Verbindung steht. Die Strömungskanäle können serpentinenartig oder nicht serpentinenartig geformt sein und können bis zu drei Abzweige, die zu der Kathodenseite der MEA weisen, und bis zu fünf Abzweige, die zu der Anodenseite der MEA weisen, besitzen.The The present invention is directed to a flow field of a PEM fuel cell. the flow channels with branched Having center sections adjacent to inlet and outlet legs, associated with supply and discharge distributors, causing lower pressure drops of Distributor to distributor possible are. moreover see branched flow channels alternative Routes for the reactant gas to flow in a single flow channel when one of the branches of a flow channel is clogged with water. More specifically, the present invention relates a PEM fuel cell with a gas-permeable, electrically conductive Current collector engaging at least one side of an MEA stands, and a current collector plate, which is connected to the gas-permeable current collector engaged and a gas flow field defines that to the gas permeable current collector has. The flow field includes a variety of lands that connect to the gas permeable current collector engage and define a plurality of gas flow channels, from each having (a) an inlet leg connected to a manifold for Supply of gaseous Reactant is connected, (b) an exit limb, with a distributor for the discharge of gaseous reactant in combination and (c) a branched middle section between the inlet and exit legs, the at least one first and second Branching, each of which has a first end, with the inlet leg communicates, and includes a second end, with the exit leg communicates. The flow channels can be serpentine or not serpentine shaped and can have up to three branches, pointing to the cathode side of the MEA, and up to five branches, which have to the anode side of the MEA own.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSHORT DESCRIPTION THE DRAWINGS

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:The The present invention will now be described by way of example only to the accompanying drawings, in which:

1 eine schematische isometrische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels ist (es sind nur zwei Zeilen gezeigt); 1 is a schematic isometric exploded view of a PEM fuel cell stack (only two lines are shown);

2 eine isometrische Explosionsansicht einer MEA und einer bipolaren Platte eines PEM-Brennstoffzellenstapels ist; 2 an exploded isometric view of an MEA and a bipolar plate of a PEM fuel cell stack is;

3 eine Draufsicht der bipolaren Platte von 2 ist; und 3 a plan view of the bipolar plate of 2 is; and

4 eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist. 4 is a plan view of another embodiment of the invention.

BESCHREIBUNG BESTIMMTER AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION CERTAIN EMBODIMENTS

Der Einfachheit halber wird nur ein Stapel mit zwei Zellen (d.h. einer bipolaren Platte) gezeigt und nachfolgend beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass ein typischer Stapel viel mehr derartige Zellen und bipolare Platten umfasst. 1 zeigt einen bipolaren PEM-Brennstoffzellenstapel mit zwei Zellen und einem Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEA's) 4 und 6, die voneinander durch eine elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühlte bipolare Platte 8 getrennt sind. Die MEA's 4 und 6 und die bipolare Platte 8 sind zwischen Klemmplatten 10 und 12 aus rostfreiem Stahl und monopolaren Endplatten 14 und 16 aus rostfreiem Stahl aneinander gestapelt. Die Klemmplatten 10, 12 sind von den Endplatten 14, 16 durch eine Dichtungsscheibe oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) elektrisch isoliert. Die monopolaren Endplatten 14 und 16 wie auch beide Arbeitsseiten der bipolaren Platte 8 enthalten eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18, 20, 22 und 24, die ein sogenanntes "Strömungsfeld" definieren, um Brennstoff- und Oxidationsmittelgase (d.h. H₂ & O₂) über die Seiten der MEA's 4 und 6 zu verteilen. Nichtleitende Dichtungsscheiben 26, 28, 30 und 32 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige Kohlenstoff-/Graphitdiffusionspapiere 34, 36, 38 und 40 werden an die Elektrodenseiten der MEA's 4 und 6 gepresst. Die Endplatten 14 und 16 werden an die Kohlenstoff-/Graphitpapiere 34 bzw. 40 gepresst, während die bipolare Platte 8 an das Kohlenstoff-/Graphitpapier 36 auf der Anodenseite der MEA 4 und an das Kohlenstoff-/Graphitpapier 38 auf der Kathodenseite der MEA 6 gepresst wird.For simplicity, only a dual cell (ie bipolar plate) stack is shown and described below, it being understood that a typical stack includes many more such cells and bipolar plates. 1 shows a bipolar PEM fuel cell stack with two cells and a pair of membrane electrode assemblies (MEAs) 4 and 6 separated by an electrically conductive, liquid-cooled bipolar plate 8th are separated. The MEA's 4 and 6 and the bipolar plate 8th are between clamps 10 and 12 stainless steel and monopolar end plates 14 and 16 stainless steel stacked together. The clamping plates 10 . 12 are from the end plates 14 . 16 electrically insulated by a gasket or a dielectric coating (not shown). The monopolar end plates 14 and 16 as well as both working sides of the bipolar plate 8th contain a variety of grooves or channels 18 . 20 . 22 and 24 which define a so-called "flow field" to deliver fuel and oxidant gases (ie, H ₂ & O ₂ ) across the sides of the MEAs 4 and 6 to distribute. Non-conductive sealing washers 26 . 28 . 30 and 32 See seals as well as an electrical insulation between the various components of the Brenn fabric cell stack before. Gas-permeable carbon / graphite diffusion papers 34 . 36 . 38 and 40 are applied to the electrode sides of the MEAs 4 and 6 pressed. The end plates 14 and 16 are added to the carbon / graphite papers 34 respectively. 40 pressed while the bipolar plate 8th to the carbon / graphite paper 36 on the anode side of the MEA 4 and to the carbon / graphite paper 38 on the cathode side of the MEA 6 is pressed.

Die bipolaren Platten 8 können Graphit, graphitgefülltes Polymer oder Metall umfassen. Bevorzugt umfassen die bipolaren Platten zwei separate Metalltafeln/-platten, die miteinander verbunden sind, um so einen Kühlmittelströmungsdurchgang dazwischen vorzusehen. Das Verbinden kann beispielsweise durch Hartlöten, Diffusionsbonden oder Kleben mit einem leitenden Klebstoff erfolgen, wie es in der Technik gut bekannt ist.The bipolar plates 8th may include graphite, graphite filled polymer or metal. Preferably, the bipolar plates include two separate metal plates / plates joined together so as to provide a coolant flow passage therebetween. Bonding can be accomplished, for example, by brazing, diffusion bonding or gluing with a conductive adhesive, as is well known in the art.

2 ist eine isometrische Explosionsansicht einer bipolaren Platte 8, eines ersten porösen Primärstromkollektors 42, einer MEA 43 und eines zweiten porösen Primärstromkollektors 44, wenn diese in einer Brennstoffzelle aneinander gestapelt sind. Eine zweite bipolare Platte (nicht gezeigt) würde unter dem zweiten Primärstromkollektor 44 liegen, um eine vollständige Zelle zu bilden. Ähnlicherweise würde ein anderer Satz von Primärstromkollektoren und MEA (nicht gezeigt) über der oberen Tafel 58 liegen. Die bipolare Platte 8 umfasst eine erste Außenmetalltafel 58, eine zweite Außenmetalltafel 60 und eine optionale, mit Löchern versehene Innenmetalltafel 62, die zwischen die erste Metalltafel 58 und die zweite Metalltafel 60 hartverlötet ist. Die Metalltafeln 58, 60 und 62 sind so dünn wie möglich ausgebildet (beispielsweise etwa 0,002 bis 0,02 Inch dick) und können durch Stanzen, durch Photoätzen (d.h. durch eine photolithographische Maske) oder einen anderen herkömmlichen Prozess zum Formen von Metalltafeln bzw. Blech geformt werden. Die Außentafel 58 ist so geformt, dass sie ein Reaktandengasströmungsfeld vorsieht, das durch eine Vielzahl von Stegen 64 gekennzeichnet ist, die dazwischen eine Vielzahl von nicht serpentinenartigen Gasströmungskanälen 66 definieren, durch die eines der Reaktandengase der Brennstoffzelle (d.h. O₂ aus Luft) von nahe einem Ende 68 der bipolaren Platte zu nahe deren entgegengesetztem Ende 70 strömt. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, werden die Stege 64 an die Primärstromkollektoren gepresst, die über diesen liegen (nicht gezeigt), die ihrerseits an die MEA gepresst werden, der sie zugeordnet sind (nicht gezeigt). Im Betrieb fließt ein Strom von dem Primärstromkollektor durch die Stege 64 und daher durch den Stapel. Das O₂-Gas wird an Strömungskanäle 66 von einer Sammelleitung oder einem Lieferverteiler geliefert, der durch ausgerichtete Öffnungen 72 in den verschiedenen Platten, Dichtungsscheiben, etc. gebildet wird, und verlässt die Kanäle 66 über einen Austragsverteiler, der durch ausgerichtete Öffnungen 74 in den verschiedenen Platten, Dichtungen, etc. ausgebildet ist. H₂ wird an die Strömungskanäle an der Unterseite der Platte 60 von einer Sammelleitung oder einem Lieferverteiler geliefert, der durch ausgerichtete Öffnungen 76 in den verschiedenen Platten, Dichtungsscheiben, etc. ausgebildet ist, und durch einen Austragsverteiler ausgetragen, der durch ausgerichtete Öffnungen 78 in den verschiedenen Platten, Dichtungen, etc. ausgebildet ist. Ein Kühlmittel strömt zwischen den Tafeln 58 und 60 von einem Einlassverteiler, der durch ausgerichtete Öffnungen 75 in den verschiedenen Platten, Dichtungsscheiben, etc. ausgebildet ist, an einen Auslassverteiler, der durch Öffnungen 77 in den verschiedenen Platten, Dichtungsscheiben, etc. ausgebildet ist. Diesbezüglich besitzt die bipolare Platte 8 (siehe beispielsweise 2) ein zentrales aktives Gebiet "A", das mit dem Primärstromkollektor in Eingriff steht und durch inaktive Sammelleitungsgebiete "B" und "C" begrenzt ist. Das aktive Gebiet A besitzt eine Arbeitsseite mit einem Kathodenströmungsfeld, das eine Vielzahl von Strömungskanälen 66 zur Verteilung von O₂/Luft über die Seite der MEA 43, die zu dieser weist, umfasst. Eine ähnliche Arbeitsseite 72 an der entgegengesetzten (d.h. Anoden-)Seite (nicht gezeigt) der bipolaren Platte 8 dient dazu, H₂ über die Seite der MEA 6, die zu dieser weist, zu verteilen. Das aktive Gebiet A der bipolaren Platte 8 ist durch zwei inaktive Sammelleitungsgebiete B und C flankiert, die die verschiedenen Öffnungen 72, 74, 75, 76, 77 und 78 hindurch aufweisen. Wenn die Platten aneinandergestapelt werden, sind die Öffnungen in einer bipolaren Platte mit gleichen Öffnungen in den anderen bipolaren Platten ausgerichtet. Andere Komponenten des Stapels, wie beispielsweise Dichtungsscheiben 26, 28, 30 und 32, wie auch die Membran der MEA's 4 und 6 und die Endplatten 14, 16 besitzen entsprechende Öffnungen (siehe 1), die mit den Öffnungen 72, 74, 75, 76, 77 und 78 in den bipolaren Platten in dem Stapel ausgerichtet sind und gemeinsam mit diesen die vorher erwähnten Verteiler zur Lieferung von gasförmigen Reaktanden und von flüssigem Kühlmittel an den Stapel bzw. zum Austrag derselben von dem Stapel bilden. Wie in 1 gezeigt ist, wird Sauerstoff/Luft an den LuftLieferverteiler 72 des Stapels über eine geeignete O₂-Lieferverrohrung 82 geliefert, während Wasserstoff an den Wasserstofflieferverteiler 76 über eine H₂-Lieferverrohrung 80 geliefert wird. Eine Austragsverrohrung für sowohl den H₂ (86) als auch O₂/Luft (84) ist ebenfalls für die H₂- und Luftaustragsverteiler vorgesehen. Es ist eine zusätzliche Verrohrung 88 und 90 zur jeweiligen Lieferung von flüssigem Kühlmittel an den Kühlmitteleinlassverteiler (75) bzw. zur Entfernung von Kühlmittel von dem Kühlmittelauslassverteiler (77) vorgesehen. 2 is an exploded isometric view of a bipolar plate 8th , a first porous primary current collector 42 , an MEA 43 and a second porous primary current collector 44 when stacked in a fuel cell. A second bipolar plate (not shown) would be under the second primary current collector 44 lie to form a complete cell. Likewise, another set of primary current collectors and MEA (not shown) would be above the top panel 58 lie. The bipolar plate 8th includes a first outer metal panel 58 , a second outer metal plate 60 and an optional perforated inner metal panel 62 between the first metal plate 58 and the second metal plate 60 is brazed. The metal panels 58 . 60 and 62 are formed as thin as possible (e.g., about 0.002 to 0.02 inches thick) and can be formed by stamping, by photoetching (ie, by a photolithographic mask), or other conventional metal sheet forming process. The outer panel 58 is shaped to provide a reactant gas flow field through a plurality of lands 64 characterized in that therebetween a plurality of non-serpentine gas flow channels 66 through which one of the fuel cell reactant gases (ie, O ₂ from air) from near one end 68 the bipolar plate too close to its opposite end 70 flows. When the fuel cell is completely assembled, the webs become 64 pressed against the primary current collectors (not shown) overlying them, which in turn are pressed against the MEA to which they are associated (not shown). In operation, a current flows from the primary current collector through the lands 64 and therefore through the stack. The O ₂ gas is at flow channels 66 supplied by a manifold or delivery manifold, through aligned openings 72 is formed in various plates, washers, etc., and leaves the channels 66 via a discharge manifold, through aligned openings 74 is formed in the various plates, gaskets, etc. H ₂ is attached to the flow channels at the bottom of the plate 60 supplied by a manifold or delivery manifold, through aligned openings 76 formed in the various plates, gaskets, etc., and discharged through a discharge manifold, through aligned openings 78 is formed in the various plates, gaskets, etc. A coolant flows between the panels 58 and 60 from an inlet manifold, through aligned openings 75 formed in the various plates, sealing washers, etc., to an outlet manifold passing through openings 77 is formed in the various plates, sealing washers, etc. In this regard, the bipolar plate has 8th (see, for example 2 ) a central active area "A" which engages the primary current collector and is bounded by inactive busbar areas "B" and "C". The active region A has a working face with a cathode flow field containing a plurality of flow channels 66 for the distribution of O ₂ / air over the side of the MEA 43 which includes this includes. A similar work page 72 on the opposite (ie, anode) side (not shown) of the bipolar plate 8th serves to H ₂ over the side of the MEA 6 that allocates to this distribute. The active area A of the bipolar plate 8th is flanked by two inactive manifold areas B and C, which are the different openings 72 . 74 . 75 . 76 . 77 and 78 have through. When the plates are stacked together, the openings in one bipolar plate are aligned with equal openings in the other bipolar plates. Other components of the stack, such as gaskets 26 . 28 . 30 and 32 as well as the membrane of the MEA's 4 and 6 and the end plates 14 . 16 have corresponding openings (see 1 ), with the openings 72 . 74 . 75 . 76 . 77 and 78 in the bipolar plates are aligned in the stack and together with these form the aforementioned manifold for supplying gaseous reactants and liquid coolant to the stack or for discharging the same from the stack. As in 1 shown is oxygen / air to the air delivery manifold 72 of the stack via a suitable O ₂ supply piping 82 delivered while hydrogen to the hydrogen distributor 76 via a H ₂ supply piping 80 is delivered. A discharge piping for both the H ₂ ( 86 ) as well as O ₂ / air ( 84 ) is also provided for the H ₂ and Luftaustragsverteiler. It is an additional piping 88 and 90 for the respective delivery of liquid coolant to the coolant inlet manifold ( 75 ) or for the removal of coolant from the coolant outlet manifold ( 77 ) intended.

Die Metalltafel 60 ist ähnlich der Tafel 58. Wie bei der Tafel 58 besitzt die Unterseite der Tafel 60 eine Arbeitsseite 22, die mit dem ersten Stromkollektor 42 in Eingriff steht. Die optionale, mit Löchern versehene, Innenmetalltafel 62 kann zwischen den Außentafeln 58 und 60 verwendet werden und umfasst eine Vielzahl von Öffnungen 92, die eine turbulente Strömung des Kühlmittels für einen effektiveren Wärmeaustausch mit den Außentafeln 58 bzw. 60 bewirken.The metal plate 60 is similar to the blackboard 58 , As with the blackboard 58 owns the underside of the blackboard 60 a work page 22 connected to the first current collector 42 engaged. The optional perforated, interior metal panel 62 can be between the outer panels 58 and 60 can be used and includes a variety of openings 92 providing a turbulent flow of coolant for more effective heat exchange with the outer panels 58 respectively. 60 cause.

3 ist eine Draufsicht der Platte 58 und zeigt deutlicher gegabelte, nicht serpentinenförmige Strömungskanäle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Jeder Strömungskanal besitzt einen Einlassschenkel 96, der mit dem O₂-Lieferverteiler 72 in Verbindung steht, einen Austrittsschenkel 100, der mit dem O₂-Austragsverteiler 74 in Verbindung steht, und mittlere Schenkel/Abzweige 104 und 106 in den Mittelabschnitten der Strömungskanäle, die mit den Einlass- und Austrittsschenkeln 96 und 100 in Verbindung stehen. Die Einlassschenkel 96 stehen mit dem Lieferverteiler 72 über eine Vielzahl von Öffnungen 108 und einen Schlitz 110 in Verbindung, der mit dem Verteiler 72 über einen Durchgang (nicht gezeigt) in Verbindung steht, der unter dem Abschnitt 112 der Platte 58 liegt. Ähnlicherweise stehen die Austrittsschenkel 100 mit dem Austragsverteiler 74 über eine Vielzahl von Öffnungen 114 in Verbindung, die ihrerseits mit dem Austragsverteiler 74 über einen Schlitz 116 in Verbindung stehen, der mit dem Verteiler 74 über einen Durchgang (nicht gezeigt) in Verbindung steht, der unter dem Abschnitt 118 der Platte 58 liegt. Verschiedene Durchflussbegrenzer 94, 98 und 102 (beispielsweise Begrenzungen in den Strömungskanälen) sind in den verschiedenen Einlassschenkeln (96), Austrittsschenkeln (100) und Mittelschenkeln (104) der gegabelten Strömungskanäle 66 nach Bedarf strategisch positioniert bzw. angeordnet, um gewünschte Druckdifferenzen darin zu erreichen. Die Durchflussbegrenzer sind detaillierter in der ebenfalls anhängigen U.S. Patentanmeldung USSN_(Anwaltsaktenzeichen GP-301429) beschrieben, die zusammentreffend mit dieser eingereicht wurde, und die hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. 3 is a top view of the plate 58 and shows more clearly bifurcated non-serpentine flow channels according to one embodiment of the present invention. Each flow channel has an inlet leg 96 , the one with the O ₂ supply distributor 72 communicates, an exit leg 100 using the O ₂ discharge manifold 74 communicates, and middle legs / branches 104 and 106 in the middle sections of the flow channels, with the inlet and outlet legs 96 and 100 keep in touch. The inlet legs 96 stand with the delivery distributor 72 over a variety of openings 108 and a slot 110 in conjunction with the distributor 72 communicating via a passage (not shown), which is under the section 112 the plate 58 lies. Similarly, the exit legs 100 with the discharge distributor 74 over a variety of openings 114 in turn, in turn, with the discharge manifold 74 over a slot 116 communicating with the distributor 74 communicating via a passage (not shown), which is under the section 118 the plate 58 lies. Various flow restrictors 94 . 98 and 102 (for example, boundaries in the flow channels) are in the various inlet legs ( 96 ), Exit legs ( 100 ) and middle thighs ( 104 ) of the bifurcated flow channels 66 Strategically positioned or arranged as needed to achieve desired pressure differences therein. The flow restrictors are described in more detail in co-pending US patent application USSN_ (Attorney Docket GP-301429) filed concurrently therewith and incorporated herein by reference.

4 ist eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die eine Stromsammelplatte 119 mit gegabelten serpentinenartigen Strömungskanälen 120 aufweist, von denen jeder einen Einlassschenkel 122, einen Austrittsschenkel 124 und einen gegabelten Mittelabschnitt umfasst, der einen ersten Abzweig 126 und zweiten Abzweig 128 umfasst. Die Einlassschenkel 122 stehen mit einem H₂-Lieferverteiler 130 über eine Vielzahl von Öffnungen 132 und einen Schlitz 134 in Verbindung, der mit dem Verteiler 130 über einen Durchgang (nicht gezeigt) in Verbindung steht, der unter dem Abschnitt 136 der Platte 119 liegt. Ähnlicherweise kommunizieren die Austrittsschenkel 124 mit einem H₂-Austragsverteiler 138 über eine Vielzahl von Öffnungen 140 und einen Schlitz 142, der mit dem Austragsverteiler 138 über einen Durchgang (nicht gezeigt) in Verbindung steht, der unter dem Abschnitt 144 der Platte 119 liegt. 4 FIG. 10 is a plan view of another embodiment of the invention including a power collector plate. FIG 119 with bifurcated serpentine flow channels 120 each having an inlet leg 122 , an exit leg 124 and a bifurcated central portion comprising a first branch 126 and second branch 128 includes. The inlet legs 122 stand with a H ₂ supply distributor 130 over a variety of openings 132 and a slot 134 in conjunction with the distributor 130 communicating via a passage (not shown), which is under the section 136 the plate 119 lies. Similarly, the exit legs communicate 124 with a H ₂ -ausungsverteiler 138 over a variety of openings 140 and a slot 142 , with the discharge distributor 138 communicating via a passage (not shown), which is under the section 144 the plate 119 lies.

Während die Erfindung oben in Verbindung mit gegabelten Strömungskanälen beschrieben worden ist, die nur zwei Abzweige besitzen, ist diese nicht darauf beschränkt. Vielmehr sind bis zu fünf Abzweige (d.h. fünffach gegabelt) mit Strömungskanälen für Hz verwendbar und bis zu drei Abzweige (d.h. dreifach gegabelt) sind für Strömungskanäle für Luft verwendbar. Diesbezüglich müssen die Einlass- und Austrittsschenkel das gesamte Gas durchlassen, das durch die verschiedenen Abzweige der Strömungskanäle strömt. Zu viele Abzweige resultieren in einem zu großen Druckabfall in den Einlass- und Austrittsschenkeln.While the Invention has been described above in connection with bifurcated flow channels, which have only two branches, this is not limited thereto. Much more are up to five Branches (i.e., fivefold forked) with flow channels for Hz and up to three branches (i.e., triple-forked) are usable for flow channels for air. In this regard, have to the inlet and outlet legs let the entire gas through, which flows through the various branches of the flow channels. Too many branches result in one too big Pressure drop in the inlet and outlet legs.

Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte spezifische Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist diese nicht als darauf beschränkt anzusehen, sondern lediglich durch den in den folgenden Ansprüchen festgelegten Schutzumfang.While the Invention with reference to certain specific embodiments has not been described as being limited thereto, but only as defined in the following claims Scope.

ZusammenfassungSummary

Eine Stromsammelplatte einer PEM-Brennstoffzelle besitzt ein Reaktionsgas-Strömungsfeld, das eine Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, von denen jeder einen Einlassschenkel, der mit einem Brennstoffversorgungsverteiler in Verbindung steht, einen Austrittsschenkel, der mit einem Brennstoffaustragsverteiler in Verbindung steht, und einen verzweigten Mittelabschnitt zwischen dem Einlass- und Austrittsschenkel aufweist.A Current collecting plate of a PEM fuel cell has a reaction gas flow field, the includes a plurality of flow channels, from each of which has an intake leg that connects to a fuel supply manifold communicating, an exit leg, with a fuel dispenser manifold communicates, and a branched middle section between having the inlet and outlet legs.

Claims

A PEM fuel cell comprising (1) a proton exchange membrane having opposite cathode and anode sides on opposite sides of the membrane, (2) a gas permeable, electrically conductive current collector engaging at least one of the sides, (3) a current collecting plate engages the gas-permeable current collector and defines a gas flow field that faces the gas-permeable current collector, the flow field including a plurality of lands engaging the gas-permeable current collector and defining a plurality of gas flow channels, each of the flow channels having: ( a) an inlet leg communicating with a delivery manifold delivering a reactant gas to all flow channels, (b) an exit leg communicating with a discharge manifold receiving the reactant gas from all flow channels, and (c) a branched center section between the legs comprising first and second branches, each having a first end in communication with the inlet leg and a second end in communication with the outlet leg.

PEM fuel cell according to claim 1, wherein the flow channels are not serpentine are.

The PEM fuel cell of claim 1, wherein the flow channels are serpentine.

PEM fuel cell according to claim 1, wherein the central portion forked.

The PEM fuel cell of claim 1, wherein the flow field is configured to deliver H ₂ to the anode side of the membrane, and the branched center portion comprises up to five branches.

PEM fuel cell according to claim 1, wherein the flow field is designed such that it has air to the cathode side of the membrane provides, and the branched center section comprises up to three branches.