DE112004002108T5

DE112004002108T5 - Einstückige bipolare Platte mit Federdichtungen

Info

Publication number: DE112004002108T5
Application number: DE112004002108T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey A. Rock
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: CN1875515A; CA2542355A1; WO2005048374A2; JP2007511045A; CA2542355C; US20050100775A1; DE112004002108B4; WO2005048374A3; US7186476B2

Abstract

PEM-Brennstoffzelle, mit:
einer Kathodenplatte zum Lenken eines ersten Fluides entlang einer Fläche derselben;
einer Anodenplatte zum Lenken eines zweiten Fluides entlang einer Fläche derselben;
einer MEA, die in einer ersten Richtung orientiert ist, wobei die MEA eine Anodenseite, die der Anodenplatte gegenüberliegt, und eine Kathodenseite aufweist, die der Kathodenplatte gegenüberliegt;
einem Plattenrand mit ersten und zweiten Sammelleitungsöffnungen, die in einer zweiten Richtung orientiert sind, wobei die zweite Richtung rechtwinklig zu der ersten Richtung ist;
einer ersten Dichtung, die zwischen der Anodenplatte und der MEA angeordnet ist, wobei die erste Dichtung einen ersten Fluidverbindungspfad zwischen der ersten Sammelleitungsöffnung und der Anodenplatte definiert; und
einer zweiten Dichtung, die zwischen der Kathodenplatte und der MEA angeordnet ist, wobei die zweite Dichtung einen zweiten Fluidverbindungspfad zwischen der zweiten Sammelleitungsöffnung und der Kathodenplatte definiert, wobei die erste und zweite Dichtung ermöglichen, dass das erste und zweite Fluid durch jeweilige...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und insbesondere eine in einen Brennstoffzellenstapel eingearbeitete Dichtungsanordnung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen protonendurchlässigen, elektrisch nicht leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer Seite den Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator aufweist. Die MEA ist als Schicht zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen darin enthalten, die darin ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Flächen der jeweiligen Anoden- bzw. Kathodenkatalysatoren zu verteilen.
Der Begriff "Brennstoffzelle" wird typischerweise dazu verwendet, abhängig vom Kontext entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (Stapel) zu bezeichnen. Eine Vielzahl einzelner Zellen wird typischerweise miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und ist gemeinsam in elektrischer Reihenschaltung angeordnet. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die vorher beschriebene Membranelektrodenanordnung (MEA) und jede derartige MEA liefert ihren Spannungszuwachs. Eine Gruppe benachbarter Zelle in dem Stapel wird als ein Cluster bezeichnet.
Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H₂) der Anodenreaktand (d.h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d.h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (eine Mischung aus O₂ und N₂) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte sind typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure, hergestellt. Die Anode/Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise teure Edelmetallpartikel. Somit sind diese MEAs relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen, die ein richtiges Wassermanagement und eine Befeuchtung umfassen, sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO) für einen effektiven Betrieb.
Die elektrisch leitenden Platten, die die MEAs schichtartig anordnen, können eine Gruppierung aus Nuten in ihren Seiten enthalten, die ein Reaktandenströmungsfeld zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden (d.h. Wasserstoff und Sauerstoff in der Form von Luft) der Brennstoffzelle über die Flächen der jeweiligen Kathode und Anode definieren. Diese Reaktandenströmungsfelder umfassen im Allgemeinen eine Vielzahl von Stegen, die eine Vielzahl von Strömungskanälen dazwischen definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden von einer Versorgungssammellei tung an einem Ende der Strömungskanäle zu einer Austragssammelleitung an dem entgegengesetzten Ende der Strömungskanäle strömen.
Typischerweise stellen nicht leitende Dichtungselemente oder Dichtungen eine Abdichtung sowie eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Platten des Brennstoffzellenstapels bereit. Zusätzlich stellen die Dichtungen einen Strömungspfad für die gasförmigen Reaktanden von der Versorgungssammelleitung zu den Flächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren bereit. Herkömmlich umfassen die Dichtungen ein gegossenes oder geformtes nachgiebiges Material, wie Gummi. Da die Dichtungen aus einem nachgiebigen Material hergestellt sind und eine schmale Wanddicke besitzen, kann ihre Handhabung bei dem Montageprozess schwierig sein. Zusätzlich muss eine Aushärtezeit bei gegossenen Dichtungen vor einer Montage berücksichtigt werden. Gegossene Gummidichtungen sind auch problematisch, wenn an ihnen Löcher für Strömungsdurchgänge angeordnet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine PEM-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Kathodenplatte, um ein erstes Fluid entlang einer Fläche derselben zu lenken. Eine Anodenplatte lenkt ein zweites Fluid entlang einer Fläche derselben. Eine MEA ist in einer ersten Richtung orientiert. Die MEA umfasst eine Anodenseite, die der Anodenplatte gegenüberliegt, und eine Kathodenseite, die der Kathodenplatte gegenüberliegt. Ein Plattenrand umfasst erste und zweite Sammelleitungsöffnungen, die in einer zweiten Richtung orientiert sind, die rechtwinklig zu der ersten Richtung ist. Eine erste Dichtung ist zwischen der Anodenplatte und der MEA angeordnet. Die erste Dichtung definiert einen ersten Fluidverbindungspfad zwischen der ersten Sammelleitungsöffnung und der Anodenplatte. Eine zweite Dichtung ist zwischen der Kathodenplatte und der MEA angeordnet. Die zweite Dichtung definiert einen zweiten Fluidverbindungspfad zwischen der zweiten Sammelleitungsöffnung und der Kathodenplatte. Die erste und zweite Dichtung erlauben, dass das erste und zweite Fluid durch jeweilige Durchgänge daran in einer Richtung parallel zu der ersten Richtung strömen können.
Erfindungsgemäß ist eine Dichtungsanordnung vorgesehen, um eine Fluidströmung von einer Sammelleitung einer PEM-Brennstoffzelle zu einer geeigneten MEA-Seite zu lenken. Die MEA ist zwischen einer Anoden- und Kathodenplatte angeordnet. Die Dichtungsanordnung umfasst eine erste Dichtung, die zwischen der Anodenplatte und der MEA angeordnet ist. Die erste Dichtung definiert einen ersten Fluidverbindungspfad zwischen einer ersten Fluidversorgungsöffnung in der Sammelleitung und der Anodenplatte. Eine zweite Dichtung ist zwischen der Kathodenplatte und der MEA angeordnet. Die zweite Dichtung definiert einen zweiten Fluidverbindungspfad zwischen einer zweiten Fluidversorgungsöffnung in der Sammelleitung und der Kathodenplatte. Die erste und zweite Dichtung erlauben, dass das erste und zweite Fluid durch jeweilige Durchgänge daran in einer Richtung parallel zu der MEA strömen können.
Eine PEM-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Separatorplatte, um ein erstes Fluid entlang einer ersten Fläche derselben zu lenken und ein zweites Fluid entlang einer entgegengesetzten zweien Fläche derselben zu lenken. Eine erste MEA ist in einer ersten Richtung orientiert. Die erste MEA umfasst eine Anodenseite, die der ersten Fläche der Separatorplatte gegenüberliegt. Ein Plattenrand umfasst eine erste Sammelleitungsöffnung, die in einer zweiten Richtung orientiert ist, wobei die zweite Richtung rechtwinklig zu der ersten Richtung liegt. Eine erste Dichtung ist zwischen der Separatorplatte und der ersten MEA angeord net, wobei die erste Dichtung einen ersten Fluidverbindungspfad zwischen der ersten Sammelleitungsöffnung und der ersten Fläche der Separatorplatte definiert. Die erste Dichtung erlaubt, dass das erste Fluid durch einen Durchgang hindurch in einer Richtung parallel zu der ersten Richtung strömen kann.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtung zum Einsatz mit einem Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Es wird ein Blech vorgesehen, das eine Ebene definiert. Öffnungen werden in einer ersten Richtung rechtwinklig zu der Ebene an vorbestimmten Orten an dem Blech angeordnet. Abschnitte des Blechs werden versetzt, wodurch Durchgänge durch die Öffnungen freigelegt werden, die Strömungsdurchgänge für Reaktandenfluid des Brennstoffzellenstapels definieren. Die Durchgänge werden parallel zu der Ebene orientiert.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehend angegebenen Beschreibung deutlicher werden. Es ist zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele, obwohl sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Veranschaulichungszwecken dienen und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen umfassender verstanden werden, in welchen:
1 eine isometrische Explosionsansicht einer Brennstoffzelle ist, die ein Paar komplementäre Federdichtungen in einem PEM-Brennstoffzellenstapel umfasst;
2 ein Schnitt des PEM-Brennstoffzellenstapels entlang der Linie 2-2 von 1 ist, der die Anodenanschlussführung zeigt;
3 eine isometrische Ansicht einer beispielhaften Federdichtung ist, die zur Verbindung mit einer Anodenplatte in einem PEM-Brennstoffzellenstapel verwendet wird;
3a eine detaillierte Ansicht des Bereichs 3a von 3 ist;
4 ein Schnitt des PEM-Brennstoffzellenstapels entlang der Linie 4-4 in 1 ist, der die Kathodenanschlussführung zeigt; und
5 ein Schnitt des PEM-Brennstoffzellenstapels entlang der Linie 5-5 in 1 ist, der die Kühlungsanschlussführung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 zeigt schematisch einen teilweisen PEM-Brennstoffzellenstapel 10 mit Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 12, die an jeder Seite durch komplementäre Federdichtungen oder -platten 16a und 16c begrenzt sind. Es sei angemerkt, dass die Beschreibung in Bezug auf 1 eine einzelne Brennstoffzelle darstellt, die auch ein Teil eines Stapels von mehrschichtigen Brennstoffzellen in einem Stapel sein kann. Die Federdichtungen 16a sind benachbart zu Separatorplatten oder Anodenplatten 20 angeordnet. Die Federdichtungen 16c sind ähnlich benachbart zu Separatorplatten oder Kathodenplatten 22 angeordnet. Wie beschrieben ist, verteilen die Federdichtungen 16a Brennstoff (H₂) von den Anodenplatten 20 zu den reaktiven Seiten der MEAs 12. Die Federdichtungen 16c verteilen Oxidationsmittelgas (d.h. O₂) von den Kathodenplatten 22 an die reaktiven Seiten der MEAs 12. Jede MEA 12 umfasst poröse, gasdurchlässige, elektrisch leitende Bleche 26, die an die Elektrodenseiten der MEAs 12 gepresst werden und als Primärstromkollektoren für die Elektroden dienen. Ein Paar benachbart angeordneter Kühlplatten 30 ist an einer ersten Seite der Anodenplatten 20 angeordnet.
Ein Oxidationsmittelgas, wie beispielsweise Sauerstoff oder Luft, wird an eine Fläche der Kathodenplatte 22 des Brennstoffzellenstapels 10 geliefert. Der Sauerstoff oder die Luft kann von einem Speichertank (nicht gezeigt) geliefert werden, oder bevorzugt kann ein Sauerstoff weggelassen und Luft aus der Umgebung an die Kathodenplatten 22 geliefert werden. Ähnlich wird ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, an eine Fläche der Anodenplatten 20 des Brennstoffzellenstapels 10 geliefert. Der Wasserstoff kann auch von einem Tank (nicht gezeigt) oder alternativ von einem Reformer geliefert werden, der katalytisch Wasserstoff aus Methanol 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 12 vorgesehen, um H₂-abgereichertes Anodengas von der Anode 20 und O₂-abgereichertes Kathodengas von der Kathode 22 zu entfernen. Ähnlich ist eine Kühlmittelverrohrung (nicht gezeigt) vorgesehen, um flüssiges Kühlmittel an die Anoden- und Kathodenplatten 20, 22 nach Bedarf zu liefern bzw. von diesen auszutragen.
Die Anoden- und Kathodenplatten 20 und 22 sind jeweils ein Einzelplattenelement mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld 40, 42, wie es in der Technik bekannt ist. Wie derzeit bevorzugt ist, sind die Anoden- und Kathodenplatten 20, 22 Bleche bevorzugt aus rostfreiem Stahl, die durch Stanzen, Fotoätzen (d.h. durch eine fotolithografische Maske) oder durch einen anderen herkömmlichen Prozess zum Formen von Blech ausgebildet werden können. Fachleute erkennen, dass andere geeignete Materialien und Herstellprozesse für die Anoden- und Kathodenplatten 20, 22 verwendet werden können.
Mit fortgesetztem Bezug auf 1 und weiterem Bezug auf die 2-4 werden die Anoden- und Kathodenströmungsfelder 40, 42 detaillierter beschrieben. Es sei angemerkt, dass zusätzliche Kathodenplatten 22, zugeordnete MEAs 12 und Federdichtungssätze 16a, 16c in den 2, 4 und 5 aus den in 1 gezeigten zu Veranschaulichungszwecken hinzugefügt werden können. Die Anoden- und Kathodenplatten 20, 22 werden derart ausgebildet, dass die geometrische Ausgestaltung der Strömungsfelder 40, 42 ein funktionales serpentinenförmiges Strömungsfeld an deren ersten Seiten ausbildet. Genauer werden die Anoden- und Kathodenplatten 20, 22 so ausgebildet, dass ein Reaktandengasströmungsfeld vorgesehen wird, das sich durch eine Vielzahl von Stegen 50, 52 auszeichnet, die eine Vielzahl von Strömungskanälen definieren, durch die die Reaktandengase von einem Einlassplattenrand 56 des Stapels 10 zu deren Austragsplattenrand 58 strömen. Die Strömungsrichtung über jede Anoden- und Kathodenplatte 20, 22 verläuft im Allgemeinen von dem Einlass plattenrand 56 durch jeweilige Strömungsfelder 40, 42 zu dem Auslassplattenrand 58.
Nahe der Außenkante des Einlassplattenrandes 56 ist eine Vielzahl von Versorgungssammelleitungsöffnungen ausgebildet. Ähnlich ist nahe der Außenkante des Auslassplattenrandes 58 eine Vielzahl von Austragssammelleitungsöffnungen ausgebildet. Genauer liefert die Versorgungssammelleitungsöffnung 60 Brennstoff (H₂) über die Anodenplatten 20 durch die Strömungskanäle 40 und durch die Austragssammelleitungsöffnung 70 hinaus. Die Versorgungssammelleitungsöffnung 62 liefert Oxidationsmittel (O₂) über die Kathodenplatten 22 durch die Strömungskanäle 42 und aus der Austragssammelleitungsöffnung 72 hinaus. Schließlich liefert die Versorgungssammelleitungsöffnung 64 nach Bedarf Kühlmittel über festgelegte Seiten der Anoden- und Kathodenplatte 20, 22, und Kühlmittel verlässt den Stapel an einer Austragssammelleitungsöffnung 74. Es sei angemerkt, dass die Federdichtungen 16 in einem Brennstoffzellenstapel mit einer einzelnen nicht gekühlten Separatorplatte oder einer bipolaren Platte, die zwischen jeweiligen MEAs angeordnet ist, verwendet werden können. Die bipolare Platte transportiert Oxidationsmittel an einer ersten Fläche und Brennstoff über eine gegenüberliegende zweite Fläche. Auf diese Art und Weise kann der Brennstoffzellenstapel mit ungekühlten Platten vorgesehen werden, die an gewünschten Orten positioniert sind, wie beispielsweise jede zweite oder jede dritte Zelle.
Mit Bezugnahme auf alle Zeichnungen werden nun die Federdichtungen 16a, 16c detaillierter beschrieben. Die Federdichtungen 16a, 16c sehen die notwendigen Durchgangswege für die Reaktandengase von den Versorgungssammelleitungsöffnungen 60, 62 des Einlassplattenrandes 56 zur Kommunikation mit jeweiligen Flächen der Anoden- und Kathodenplatten 20, 22 vor. Somit sind komplementäre Federdichtungen 16a, 16c Spiegelbilder voneinander, während sie eine festgelegte Anschlussführung besitzen, die nach Bedarf angeordnet ist. Die Federdichtungen 16a, 16c bestehen bevorzugt aus gestanzten Blechen, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl. Bei einem bevorzugten Verfahren werden die Bleche gestanzt, um Öffnungen an vorbestimmten Orten zu bilden. Die Bleche werden anschließend in festgelegten Bereichen seitlich versetzt, so dass die Öffnungen Durchgänge parallel zu den MEAs 12 bilden. Jede Federdichtung 16a, 16c ist mit einem elastomeren Material beschichtet, um die Abdichtungsfähigkeit zu erhöhen, während eine Nachgiebigkeit vorgesehen wird. Fachleute erkennen, dass alternative Materialien verwendet werden können, wobei gleiche Ergebnisse erreicht werden. Infolgedessen besitzen die Federplatten 16a, 16c eine ausreichende Starrheit und Tiefe, um die Sammelleitungsabschnitte 56, 58 des Stapels 10 zu stützen, während sie auch nachgiebige Außenflächen besitzen, um Dichtungen an den verlängerten Endabschnitten zu bilden.
Mit besonderem Bezug auf die 1-3a wird die Fluidanschlussführung durch die Federdichtungen 16a von der Versorgungssammelleitungsöffnung 60 zu den Anodenplatten 20 detaillierter beschrieben. Brennstoff strömt durch die Versorgungssammelleitungsöffnung 60 entlang eines Fluidverbindungspfades, der mit Pfeilen F in 2 gezeigt ist. Der Fluidverbindungspfad ist durch Federplatten 16a definiert, wobei eine Strömung zwischen Anodenplatten 20 und MEAs 12 gelenkt wird. Auf diese Weise kann der Brennstoff dem serpentinenartigen Strömungspfad 40 folgen, der durch jede Anodenplatte 20 definiert ist, während er mit den MEAs 12 reagiert, bis er an den Anschluss 70 der Austragssammelleitung 58 geliefert wird. Wie gezeigt ist, sind strategisch platzierte Durchgänge 80 in jeder Federplatte 16a zwischen seitlich versetzten Planaren Abschnitten 81 angeordnet, so dass Brennstoff durch den Sammelleitungsabschnitt 56 zu der gewünschten Anodenplatte 20 strömen kann.
Mit fortgesetztem Bezug auf 1 und weiterem Bezug auf 4 wird die Fluidanschlussführung durch die Federdichtungen 16c von der Versorgungssammelleitungsöffnung 62 an die Kathodenplatten 22 detaillierter beschrieben. Oxidationsmittel strömt durch die Versorgungssammelleitungsöffnung 62 entlang eines Fluidverbindungspfades, der mit Pfeilen O bezeichnet ist. Der Fluidverbindungspfad ist durch Federplatten 16c definiert, wobei eine Strömung zwischen den Kathodenplatten 22 und den MEAs 12 gelenkt wird. Auf diese Weise kann das Oxidationsmittel dem serpentinenartigen Strömungspfad 42 folgen, der durch jede Kathodenplatte 22 definiert ist, während es mit den MEAs 12 reagiert, wenn es an die Austragssammelleitung 58 geliefert wird. Wieder sind strategisch platzierte Durchgänge 82 in jeder Federplatte 16c zwischen seitlich versetzten Planaren Abschnitten 83 angeordnet, so dass ein Oxidationsmittel durch den Sammelleitungsabschnitt 56 und über die gewünschte Kathodenplatte 22 strömen kann, bis es an Anschluss 72 der Austragssammelleitung 58 austritt. Es sei angemerkt, dass die Anschlussführung durch die Federplatten 16c ähnlich der in Bezug auf die Anodenplatten 16a in 3 gezeigten Führung ist, mit der Ausnahme, dass die Durchgänge ausgerichtet sind, um vielmehr mit den Öffnungen 62 und 72 anstatt 64 und 74 zu kommunizieren.
Zuletzt wird mit fortgesetztem Bezug auf 1 und weiterem Bezug auf 5 die Fluidanschlussführung des Kühlmittels durch die Federdichtungen 16a, 16c von der Versorgungssammelleitungsöffnung 64 an die Anoden- und Kathodenplatten 20, 22 detaillierter beschrieben. Kühlmittel tritt in den Stapel 10 durch die Öffnung 64 ein. Wie gezeigt ist, sind strategisch platzierte Durchgänge 84 in jeder Federplatte 16a, 16c zwischen den seitlich versetzten Planaren Abschnitten 81 und 83 angeordnet, so dass Kühlmittel durch den Sammelleitungsabschnitt 56 an die gewünsch te Anoden- und Kathodenplatte 20, 22 strömen (bei Pfeilen C gezeigt) kann.
Die Versorgungs- oder Einlassströmung von Fluid in den Brennstoffzellenstapel 10 ist oben detailliert beschrieben worden. Für Fachleute ist offensichtlich, dass die komplementäre Federdichtungsanordnung der vorliegenden Erfindung eine ähnliche komplementäre Federdichtungsanordnung an dem Auslassrand 58 des Brennstoffzellenstapels 10 zum Austrag der gasförmigen Reaktanden und Kühlmittel von dem Brennstoffzellenstapel 10 enthält. Somit kann die vorliegende Erfindung durch die Verwendung der obigen Federdichtungsanordnung 16a, 16c die gasförmigen Reaktanden und Kühlmittel effektiv in, durch und aus dem Brennstoffzellenstapel 10 transportieren.
Für Fachleute ist es nun aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen ausgeführt werden können. Daher sei, während diese Erfindung in Verbindung mit bestimmten Beispielen derselben beschrieben worden ist, der echte Schutzumfang der Erfindung nicht darauf beschränkt, da andere Abwandlungen für Fachleute aus einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Ansprüchen deutlicher werden.
Zusammenfassung
Eine PEM-Brennstoffzelle umfasst eine Kathodenplatte zum Lenken eines ersten Fluides entlang einer Fläche derselben. Eine Anodenplatte lenkt ein zweites Fluid entlang einer Fläche derselben. Eine MEA ist in einer ersten Richtung orientiert. Die MEA umfasst eine Anodenseite, die der Anodenplatte gegenüberliegt, und eine Kathodenseite, die der Kathodenplatte gegenüberliegt. Ein Plattenrand umfasst erste und zweite Sammelleitungsöffnungen, die in einer zweiten Richtung, die rechtwinklig zu der ersten Richtung ist, orientiert sind. Eine erste Dichtung ist zwischen der Anodenplatte und der MEA angeordnet. Die erste Dichtung definiert einen ersten Fluidverbindungspfad zwischen der ersten Sammelleitungsöffnung und der Anodenplatte. Eine zweite Dichtung ist zwischen der Kathodenplatte und der MEA angeordnet. Die zweite Dichtung definiert einen zweiten Fluidverbindungspfad zwischen der zweiten Sammelleitungsöffnung und der Kathodenplatte. Die erste und zweite Dichtung erlauben, dass das erste und zweite Fluid durch jeweilige Durchgänge daran in einer Richtung parallel zu der ersten Richtung strömen können.

Claims

PEM-Brennstoffzelle, mit: einer Kathodenplatte zum Lenken eines ersten Fluides entlang einer Fläche derselben; einer Anodenplatte zum Lenken eines zweiten Fluides entlang einer Fläche derselben; einer MEA, die in einer ersten Richtung orientiert ist, wobei die MEA eine Anodenseite, die der Anodenplatte gegenüberliegt, und eine Kathodenseite aufweist, die der Kathodenplatte gegenüberliegt; einem Plattenrand mit ersten und zweiten Sammelleitungsöffnungen, die in einer zweiten Richtung orientiert sind, wobei die zweite Richtung rechtwinklig zu der ersten Richtung ist; einer ersten Dichtung, die zwischen der Anodenplatte und der MEA angeordnet ist, wobei die erste Dichtung einen ersten Fluidverbindungspfad zwischen der ersten Sammelleitungsöffnung und der Anodenplatte definiert; und einer zweiten Dichtung, die zwischen der Kathodenplatte und der MEA angeordnet ist, wobei die zweite Dichtung einen zweiten Fluidverbindungspfad zwischen der zweiten Sammelleitungsöffnung und der Kathodenplatte definiert, wobei die erste und zweite Dichtung ermöglichen, dass das erste und zweite Fluid durch jeweilige Durchgänge hindurch in einer Richtung parallel zu der ersten Richtung strömen können.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Dichtung aus starrem Metallmaterial bestehen.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die erste und zweite Dichtung aus gestanztem Metall bestehen.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei die erste und zweite Dichtung mit elastomerem Material beschichtet sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Anodenplatte und die Kathodenplatte innerhalb der ersten und zweiten Sammelleitungsöffnungen des Plattenrandes nicht porös sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Dichtung einen Zwischenabschnitt umfassen, der parallel zu der ersten Richtung orientiert ist und benachbart zu der MEA liegt, und äußere Endabschnitte umfassen, die parallel zu der ersten Richtung orientiert und von dem Zwischenabschnitt versetzt sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei die erste und zweite Dichtung ferner rampenartige Abschnitte umfassen, die den Zwischenabschnitt mit den äußeren Endabschnitten verbinden, wobei an dem rampenartigen Abschnitt Durchgänge ausgebildet sind.
Dichtungsanordnung zum Lenken einer Fluidströmung von einer Sammelleitung einer PEM-Brennstoffzelle an eine geeignete MEA-Seite, die zwischen einer Anoden- und Kathodenplatte angeordnet ist, wobei die Dichtungsanordnung umfasst: eine erste Dichtung, die zwischen der Anodenplatte und der MEA angeordnet ist, wobei die erste Dichtung einen ersten Fluidverbindungspfad zwischen einer ersten Fluidversorgungsöffnung in der Sammelleitung und der Anodenplatte definiert; und eine zweite Dichtung, die zwischen der Kathodenplatte und der MEA angeordnet ist, wobei die zweite Dichtung einen zweiten Fluidverbindungspfad zwischen einer zweiten Fluidversorgungsöffnung in der Sammelleitung und der Kathodenplatte definiert, wobei die erste und zweite Dichtung ermöglichen, dass das erste und zweite Fluid durch jeweilige Durchgänge daran in einer Richtung parallel zu einer Fläche der MEA strömen können.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die erste und zweite Dichtung aus starrem Metallmaterial bestehen.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei die erste und zweite Dichtung aus gestanztem Metall bestehen.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 10, wobei die erste und zweite Dichtung mit elastomerem Material beschichtet sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die erste und zweite Dichtung einen Zwischenabschnitt umfassen, der parallel zu der Fläche der MEA orientiert ist und benachbart zu dieser liegt, und äußere Endabschnitte umfassen, die parallel zu der Fläche der MEA orientiert und von dem Zwischenabschnitt versetzt sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei die erste und zweite Dichtung ferner rampenartige Abschnitte umfassen, die den Zwischenabschnitt mit den äußeren Endabschnitten verbinden, wobei an dem rampenförmigen Abschnitt Durchgänge ausgebildet sind.
PEM-Brennstoffzelle, mit: einer Kathodenplatte zum Lenken eines ersten Fluides entlang einer Fläche derselben; einer Anodenplatte zum Lenken eines zweiten Fluides entlang einer Fläche derselben; einer MEA, die an einer Ebene orientiert ist, wobei die MEA eine Anodenseite, die der Anodenplatte gegenüberliegt, und eine Kathodenseite aufweist, die der Kathodenplatte gegenüberliegt; einer Sammelleitung mit ersten und zweiten Sammelleitungsöffnungen, die rechtwinklig zu der Ebene orientiert sind; einer ersten starren Dichtung, die zwischen der Anodenplatte und der MEA angeordnet ist, wobei die erste Dichtung Planare Abschnitte aufweist, die sich parallel zu der Ebene erstrecken, wobei die Planaren Abschnitte versetzte Abschnitte aufweisen, die dazwischen angeordnet sind und Strömungsdurchgänge für das erste Fluid definieren, wobei die versetzten Abschnitte der ersten Dichtung eine Tiefe verleihen, die die Planaren Abschnitte seitlich versetzt macht; und einer zweiten starren Dichtung, die zwischen der Kathodenplatte und der MEA angeordnet ist, wobei die zweite Dichtung Planare Abschnitte aufweist, die sich parallel zu der Ebene erstrecken, wobei die Planaren Abschnitte versetzte Abschnitte aufweisen, die dazwischen angeordnet sind und Strömungsdurchgänge für das zweite Fluid definieren, wobei die versetzten Abschnitte der zweiten Dichtung eine Tiefe verleihen, die die Planaren Abschnitte seitlich versetzt macht.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die erste und zweite Dichtung aus starrem Metallmaterial bestehen.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei die erste und zweite Dichtung aus gestanztem Metal bestehen.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei die erste und zweite Dichtung mit elastomerem Material beschichtet sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die Anodenplatte und die Kathodenplatte innerhalb der ersten und zweiten Sammelleitungsöffnungen der Sammelleitung nicht porös sind.
PEM-Brennstoffzelle, mit: einer Separatorplatte zum Lenken eines ersten Fluides entlang einer ersten Fläche derselben und eines zweiten Fluides entlang einer gegenüberliegenden zweiten Fläche derselben; einer ersten MEA, die in einer ersten Richtung orientiert ist, wobei die erste MEA eine Anodenseite aufweist, die der ersten Fläche der Separatorplatte gegenüberliegt; einem Plattenrand mit einer ersten Sammelleitungsöffnung, die in einer zweiten Richtung orientiert ist, wobei die zweite Richtung rechtwinklig zu der ersten Richtung liegt; und einer ersten Dichtung, die zwischen der Separatorplatte und der ersten MEA angeordnet ist, wobei die erste Dichtung einen ersten Fluidverbindungspfad zwischen der ersten Sammelleitungsöffnung und der ersten Fläche der Separatorplatte definiert, wobei die erste Dichtung ermöglicht, dass das erste Fluid durch einen Durchgang hindurch in einer Richtung parallel zu der ersten Richtung strömen kann.
Separatorplatte nach Anspruch 19, ferner mit: einer zweiten MEA, die in der ersten Richtung orientiert ist, wobei die zweite MEA eine Kathodenseite aufweist, die der zweiten Fläche der Separatorplatte gegenüberliegt; einer zweiten Sammelleitungsöffnung, die an dem Plattenrand in der zweiten Richtung orientiert ist; und einer zweiten Dichtung, die zwischen der Separatorplatte und der zweiten MEA angeordnet ist, wobei die zweite Dichtung einen zweiten Fluidverbindungspfad zwischen der zweiten Sammelleitungsöffnung und der zweiten Fläche der Separatorplatte definiert, wobei die zweite Dichtung zulässt, dass das zweite Fluid durch einen Durchgang hindurch in einer Richtung parallel zu der ersten Richtung strömen kann.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 20, wobei die erste und zweite Dichtung aus starrem Metallmaterial bestehen.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 21, wobei die erste und zweite Dichtung aus gestanztem Metal bestehen.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 22, wobei die erste und zweite Dichtung mit einem elastomeren Material beschichtet sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 20, wobei die erste und zweite Dichtung einen Zwischenabschnitt umfassen, der parallel zu der ersten Richtung orientiert ist und benachbart zu der ersten bzw. zweiten MEA liegt, und äußere Endabschnitte umfassen, die parallel zu der ersten Richtung orientiert und von dem Zwischenabschnitt versetzt sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 24, wobei die erste und zweite Dichtung ferner rampenartige Abschnitte umfassen, die den Zwischenabschnitt mit den äußeren Endabschnitten verbinden, wobei an den rampenartigen Abschnitten jeweils Durchgänge ausgebildet sind.
Verfahren zu Herstellen einer Dichtung zum Einsatz mit einem Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Blech vorgesehen wird, das eine Ebene definiert; Öffnungen in einer ersten Richtung rechtwinklig zu der Ebene an vorbestimmten Orten an dem Blech angeordnet werden; und Abschnitte des Blechs versetzt werden, wodurch Durchgänge durch die Öffnungen freigelegt werden, die Strömungsdurchgänge für Reaktandenfluid des Brennstoffzellenstapels definieren, wobei die Durchgänge parallel zu der Ebene orientiert werden.
Verfahren nach Anspruch 26, ferner umfassend, dass das Blech mit einem nachgiebigen Material beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 27, ferner umfassend, dass das Blech mit einem elastomeren Material beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Anordnen umfasst, dass das Blech gestanzt wird.