DE69908811T2 - Bipolarplatten-entwurf aus metallblechen für polymerelektrolytmembran-brennstoffzellen - Google Patents

Bipolarplatten-entwurf aus metallblechen für polymerelektrolytmembran-brennstoffzellen Download PDF

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Description

  • Erfindungshintergrund
  • Erfindungsgebiet
  • Diese Erfindung betrifft eine bipolare Trennplatte zur Verwendung in Polymerelektrolytmembran-(PEM)-Brennstoffzellen. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine flüssigkeitsgekühlte, bipolare Blech-Trennplatte zur Verwendung in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen. Obwohl das Konzept dieser Erfindung bei bipolaren Trennplatten für eine Vielzahl von Brennstoffzellentypen angewandt werden kann, ist es für die Verwendung in Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapeln besonders geeignet, in denen der Brennstoff und das Oxidationsmittel für jede der Brennstoffzelleneinheiten vorgesehen sind, die den Brennstoffzellenstapel durch innere Vervielfachungen aufweisen.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Es gibt eine Anzahl von Brennstoffzellensystemen, die gegenwärtig existieren und/oder in der Entwicklung sind und die zur Verwendung in einer Vielfalt von Anwendungen entwickelt und vorgeschlagen worden sind, die die Stromerzeugung, Automobile und weitere Anwendungen umfassen, bei denen eine Umweltverschmutzung zu vermeiden ist. Diese Anwendungen schließen Brennstoffzellen ein, die mit geschmolzenem Kohlenstoff, festen Oxiden, Phosphorsäure und Polymerelektrolytmembranen arbeiten. Kernpunkte, die mit einem erfolgreichen Arbeiten jedes dieser Brennstoffzellentypen verbunden sind, sind die Steuerung der Brennstoffzellentemperatur und die Entfernung von Produkten, die durch die elektrochemischen Reaktionen irr der Brennstoffzelle erzeugt werden.
  • Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen sind besonders vorteilhaft, weil sie sehr große Ausgangsleistungen erzeugen können, während sie ein geringes Gewicht und ein geringes Volumen aufweisen. Polymerelektrolytmembran-Brennstoff zellen sind in der Fachwelt gut bekannt. Eine jede solche Brennstoffzelle weist eine „Membran-Elektroden-Anordnung" auf, die einen dünnen, protonenleitenden Polymermembran-Elektrolyten enthält, der auf seiner einen Seite mit einem Anodenelektrodenfilm und auf seiner anderen Seite mit einem Kathodenelektrodenfilm versehen ist. Solche Membran-Elektrolyten sind generell aus Ionenaustauschharzen hergestellt und weisen ein perfluoriertes Schwefelsäurepolymer auf, beispielsweise das NAFIONTM, das von der Firma E. I. DuPont DeNemours & Co. vertrieben wird. Der Anodenfilm und der Kathodenfilm weisen typischerweise feinverteilte Kohlenstoffteilchen, sehr fein verteilte katalytische Teilchen, die auf der Innenfläche und der Außenfläche der Kohlenstoffteilchen getragen werden, und protonenleitendes Material, das mit den katalytischen Teilchen und den Kohlenstoffteilchen vermischt ist, oder katalytische Teilchen auf, die völlig in einem Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Binder fein verteilt sind.
  • Die Membran-Elektroden-Anordnung für jede Brennstoffzelle ist auf beiden Seiten von zwei elektrisch leitenden Elementen bedeckt, die als Stromkollektoren für die Anode bzw. Kathode dienen und häufig eine Anordnung aus Nuten in den Seiten dieser Elemente zur Verteilung der gasförmigen Reaktionsteilnehmer der Brennstoffzelle über die Fläche der Anode bzw. die Fläche der Kathode aufweisen.
  • Kommerziell existenzfähige Brennzellenstapel können bis zu etwa 600 individuelle Brennstoffzellen (oder Brennstoffzelleneinheiten) aufweisen, von denen jede eine ebene Fläche von bis zu mehreren Quadratfuß aufweist. In einem Brennstoffzellenstapel ist eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten in elektrischen Reihen gestapelt, wobei diese Einheiten zwischen der Anodenelektrode der einen Brennstoffzelleneinheit und der Kathodenelektrode einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit durch eine undurchlässige, elektrisch leitende, bipolare Trennplatte getrennt sind, die eine Reaktionsteilnehmer-Gasverteilung auf beiden Außenseiten der Trennplatte vornimmt, den elektrischen Strom zwischen der Anode der einen Zelle und der Kathode einer benachbarten Zelle im Stapel leitet und in den meisten Fällen Innendurchgänge der Trennplatte umfasst, die durch Innenwärmetauscherflächen definiert sind und über die ein Kühlmittel fließt, um die Wärme aus dem Stapel abzuleiten. Eine derartige bipolare Trennplatte ist beispielsweise im US-Patent 5 776 624 offenbart. In diesen Brennstoffzellenstapeln wird der Brennstoff zwischen der anderen Seite der Trennplatte und der Kathodenseite eines zweiten Elektrolyts eingeführt.
  • Zellenstapel mit 600 Zellen können bis zu mehreren Fuß hoch sein, wobei ernste Probleme inbezug auf die Erhaltung der Zellenunverletzlichkeit während des Aufheizens und Betriebs des Brennstoftzellenstapels entstehen. Aufgrund der Wärmegefälle zwischen der Zellenanordnung und den Zellenbetriebsbedingungen entstehen verschiedene Wärmeausdehnungen, und die für die verschiedenen Komponenten nötigen Materialstärken, die engen Toleranzen und sehr schwierige Betriebsprobleme sind vorhanden. In dieser Beziehung ist die Temperatursteuerung sehr wichtig, und wenn diese nicht mit einem minimalen Temperaturgefälle erfolgt, ist keine gleichmäßige Stromdichte erreichbar, und es findet eine Beeinträchtigung der Zelle statt.
  • Zusätzlich zu den Temperaturbetrachtungen ist die Unverletzlichkeit des Brennstoftzellenstapels auch eine Funktion der physikalischen Dimersionen des Stapels. Je größer der Brennstoftzellenstapel ist, desto schwieriger wird es, die Stapelunverletzlichkeit und den Stapelbetrieb aufrecht zu erhalten. Daher ist es zusätzlich zur Temperatursteuerung für eine vorgegebene elektrische Ausgangsleistung, die eine Funktion der Anzahl der den Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzelleneinheiten ist, erwünscht, die Dimensionen des Brennstoffzellenstapels, insbesondere die Höhe des Brennstoffzellenstapels, so klein wie möglich für eine vorgegebene elektrische Ausgangsleistung zu machen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Daher besteht eine Aufgabe dieser Erfindung darin, einen Polymerelektrolytmembran-Brennstoftzeltenstapel mit einer derart kompakten Ausbildung zu schaffen, dass die Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten je Zoll der Brennstoffzellenstapelhöhe für eine vorgegebene elektrische Ausgangsleistung größer als bei den bekannten Polymerelektrolytmembran-Brennstoftzellenstapel ist.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine kompakte, wassergekühlte, bipolare Trennplatte für die Verwendung in Polymerelektrolytmembran-Brennstoftzellenstapeln zu schaffen.
  • Diese und weitere Aufgaben dieser Erfindung werden mit einem Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel erreicht, der eine Vielzahl von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelleneinheiten aufweist, wobei jede Brennstoffzelleneinheit eine Membran-Electroden-Anordnung mit einem Anodenelektrodenfilm auf einer Seite und einem Kathodenelektrodenfilm auf einer gegenüberliegenden Seite, einen Anodenstromkollektor auf der Anodenelektrodenfilmseite der Membran-Elektroden-Anordnung und einen Kathodenstromkollektor auf der Kathodenfilmseite der Membran-Elektroden-Anordnung aufweist; zwischen der Anodenelektrodenfilmseite der Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelleneinheit und der Kathodenelektrodenfilmseite der Membran-Elektroden-Anordnung einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit ist eine Trennplatte angeordnet, die Leitmittel zur Verteilung von Brennstoff und Oxidationsgasen zur Anodenelektrode bzw. zur Kathodenelektrode aufweist; die Trennplatte ist aus mindestens zwei flächenparallelen Blechelementen mit im Wesentlichen identisch ausgebildeten Leitmitteln aufgebaut, wobei die flächenparallelen Blechelemente sich dicht gegenüberliegen und dabei einen Kühlmittelstromzwischenraum zwischen sich bilden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausbildung dieser Erfindung weisen die Leitmittel eine Vielzahl von Riffelungen auf, die in den zwei Blechelementen ausgebildet sind. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung dieser Erfindung weisen die Leitmittel eine Vielzahl von Vertiefungen auf, die in den zwei Blechelementen ausgebildet sind. Obwohl sich die flächenparallelen Blechelemente dicht gegenüberliegen, bilden sie doch einen Kühlmitteldtromzwischenraum zwischen sich. Der Abstand der dicht beieinander liegenden, flächenparallelen Blechelemente wird durch Abstandsmittel, beispielsweise durch eine Vielzahl von Ausbuchtungen oder Höckern, die auf der Seite mindestens eines der flächenparallelen Blechelemente angeordnet sind, oder durch andere Mittel zur Aufrechterhaltung des Abstands zwischen den flächenparallelen Blechelementen erreicht, wobei diese Mittel dennoch für eine gute elektrische Leitfähigkeit zwischen den flächenparallelen Blechelementen sorgen.
  • Kurzbeschreibungen der Zeichnungen
  • Diese und weitere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verständlicher werden. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Teils eines Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapels, der Trennplatten gemäß einer Ausführung dieser Erfindung umfasst,
  • 2 eine Draufsicht auf eine Trennplatte gemäß einer Ausführung dieser Erfindung für eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle,
  • 3 einen Querschnitt durch einen Teil der Trennplatte in Richtung der Pfeile III-III in 2,
  • 4 eine Draufsicht auf eine Elektrodenseite eines Blechelements einer Trennplatte gemäß einer Ausführung dieser Endung und
  • 5 eine Draufsicht auf eine Kühlflüssigkeitsseite eines Blechelements einer Trennplatte gemäß einer Ausführung dieser Erfindung.
  • Beschreibung von bevorzugten Ausführungen
  • Die 1 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Teils eines Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapels 10 gemäß einer Ausführung dieser Erfindung. Der Polymerelektrolytmembran-Brennstoftzellenstapel 10 weist eine Vielzahl von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelleneinheiten auf, die jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 20 aufweisen. Diese Anordnung 20 weist einen dünnen, protonenleitenden Polymermembran-Elektrolyten mit einem Anodenelektrodenfilm (Anode) auf ihrer einen Seite und einem Kathodenelektrodenfilm (Kathode) auf ihrer gegenüberliegenden Seite auf. Die Membran-Elektroden-Anordnung 20 ist zwischen elektrisch leitenden Elementen 26, 27 angeordnet, die als Stromkollektoren und Gasdiffusionsschichten für die Anode und Kathode dienen. Eine Trennplatte 40 trennt benachbarte Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelleneinheiten und ist zwischen der Anodenseite einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelleneinheit und der Kathodenseite der benachbarten Polymerelektrolytmembran-Brennstoftzelleneinheit angeordnet. Die Trennplatte 40 ist mit Leitmitteln zur Verteilung von Brennstoff- und oxidierenden Reaktionsteilnehmergasen an die Anode bzw. Kathode versehen. Diese Leitmittel können jede geeignete Form haben, weisen aber gemäß einer bevorzugten Ausführung dieser Erfindung eine Vielzahl von in 2 gezeigten Riffelungen 60 auf, die Kanäle für die Verteilung der Reaktionsteilnehmergase an die Elektroden bilden. Gemäß einer weiteren Ausführung dieser Erfindung weisen diese Leitmittel eine Vielzahl von ebenfalls in 2 gezeigten Vertiefungen 61 auf. Wie in 2 gezeigt ist, kann die Trennplatte 40 eine Vielzahl von Leitmitteln aufweisen, beispielsweise eine Kombination aus Riffelungen und Vertiefungen.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung dieser Erfindung ist der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel dieser Erfindung ein voll innenverteilter Brennstoffzellenstapel, wobei die Reaktionsteilnehmergase den Elektroden zugeführt werden und die Reaktionsprodukte aus den Reaktionszonen im Brennstoffzellenstapel durch Innenverteiler abgeführt werden. Die Innenverteiler sind durch ausgerichtete Perforationen gebildet, die in mindestens einer Trennplatte und den Polymerelektrolytmembranen angeordnet sind. Innenverteilte Brennstoffzellen sind in den US-Patenten 4 963 442, 5 077 148, 5 227 256 und 5 342 706 offenbart. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass andere Brennstoffzellenkonfigurationen einschließlich der außenverteilten Brennstoffzellenstapel für die Verwendung mit der Trennplatte dieser Erfindung geeignet sind.
  • Wie in der 1 gezeigt ist, umfasst eine Brennstoffzelleneinheit eines Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführung dieser Er findung die Trennplatten 40, die Membran-Elektroden-Anordnung 20, die einen dünnen, protonenleitenden Polymermembran-Elektrolyten mit einem auf ihrer einen Seite gebildeten Anodenelektrodenfilm und einen auf der gegenüberliegenden Seite gebildeten Kathodenelektrodenfilm aufweist, den Anodenstromkollektor 26 und den Kathodenstromkollektor 27. Die Trennplatten 40, die Membran-Elektroden-Anordnung 20 und die Stromkollektoren 26, 27 bilden den Kantenbereich der Zelle und bilden Dichtungen auf beiden Seiten der Trennplatten 40 zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 20 und/oder den Stromkollektoren 26, 27 um den ganzen Umfang in den Umfangsdichtbereichen 43. Die Umfangsdichtbereiche 43 erstrecken sich von der Hauptebene der Trennplatte 40 nach oben und unten, um einen Kontakt mit dem Umfang der Stromkollektoren 26, 27 und/oder der Membran-Elektroden-Anordnung 20 herzustellen. Die Trennplatten 40, die Membran-Elektroden-Anordnung 20 und die Stromkollektoren 26, 27 sind jeweils mit entsprechenden Brennstoffverteilungslöchern durchzogen, eines für die Zuführung und eines für die Abführung. Obwohl die in 1 gezeigten Verteillöcher eine vorzugsweise dreieckige Form haben, die leichtgebildete, gerade Dünnfilmdichtbereiche zulassen, können die Verteillöcher eine runde, rechteckige oder andere, gewünschte Form aufweisen. Die in 1 gezeigten Verteillöcher sind einzelne Öffnungen, aber es können auch falls erwünscht Trennwände in den einzelnen Öffnungen verwendet werden, um den Gasstrom über die Zellenreaktionsteilnehmerkammern zu leiten. Die Brennstoffverteildichtbereiche 45 und die Oxidationsmittelverteildichtbereiche 46 verlaufen von der Hauptebene der Trennplatte 40 nach oben und nach unten, um einen Kontakt mit den Stromkollektoren 26, 27 und/oder der Membran-Elektroden-Anordnung 20 herzustellen, um Dichtungen zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und den benachbarten Stromkollektoren 26, 27 zu schaffen.
  • Die Oxidationsmittelverteillöcher 25 sind durch Oxidationsmittelverteildichtungen 46 abgedichtet, die einen Oxidationsmittelstrom nur zu und von der Kathodenkammer vorsehen, die der oberen Seite der Trennplatte 40 durch Oxidationsmittelzuführöffnungen 48 und Oxidationsmittelabführöffnungen 48' benachbart ist, und die einen Gasstrom zu oder von der Anodenkammer verhindern, während die Brennstoffverteillöcher 24 durch Brennstoffverteildichtungen 45 abgedichtet sind, die einen Brennstoffstrom nur zu und von der Anodenkammer vorsehen, die der unteren Seite der Trennplatte 40 durch Brennstoffzuführöffnungen 47 und Brennstoffabführöffnungen 47' benachbart sind, und die einen Gasstrom zu oder von der Kathodenkammer verhindern. Die Verteildichtungen 45, 46 können, obwohl sie als gerade, gepresste Blechstrukturen gezeigt sind, jede gewünschte Form oder Struktur aufweisen, um den Gasstrom zu verhindern. Die Verteildichtungen 45, 46 bilden eine Doppeldichtung zwischen den Brennstoffverteillöchern 24 und den Oxidationsmittelverteillöchern 25.
  • Wie vorher erwähnt worden ist, besteht ein wesentliches Problem, das während des Betriebs der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel beachtet werden muss, in der Steuerung der Brennstoffzellentemperaturen, die durch die elektrochemischen Reaktionen des Brennstoffs und der Reaktionsoxidationsmittel in den den Brennstoffzellenstapel enthaltenden Brennstoftzelleneinheiten erzeugt werden. Dieses Problem wird durch eine Trennplatte 40 gemäß dieser Erfindung gelöst, wobei diese Trennplatte mindestens zwei in den 1 und 3 gezeigte, flächenparallele Blechelemente 30, 31 aufweist, die im Wesentlichen identisch geformte Leitmittel, beispielsweise Riffelungen 60a und 60b, aufweisen und die dicht beieinander angeordnet sind sowie einen Kühlstromzwischenraum 32 zwischen sich aufweisen. Der Kühlstromzwischenraum 32 wird dadurch gebildet, dass die mindestens zwei flächenparallelen, dicht beieinander liegenden Blechelemente 30, 31 auf Abstand voneinander gehalten werden. Dieser Abstand wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung dieser Erfindung durch die Anwesenheit von einer Vielzahl von Ausbuchtungen oder Höckern 33 auf einem Blechelement erreicht, die der Seite von mindestens einem der beiden flächenparallelen, dicht beieinander liegenden Blechelemente 30, 31 zugewandt ist. Dem Fachmann wird klar sein, dass diese Ausbuchtungen oder Höcker 33 auf dem Blechelement angeordnet sein können, das der Seite von beiden flächenparallelen dicht beieinander liegenden Blechelementen 30, 31 zugewandt ist. Zusätzlich wird es dem Fachmann klar sein, dass ein Schweißen oder Hartlöten an diesen Punkten erwünscht sein kann, um eine bessere elektrische Leitfähigkeit zu fördern. Ferner wird dem Fachmann klar sein, dass eine Trennplatte 40, die mehr als zwei flächenparallele, dicht beieinander liegende Blechelemente aufweist, wobei ein Kühlstromraum zwischen jedem der einzelnen Blechelemente aufrecht erhalten wird, auch in einem Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel gemäß dieser Erfindung verwendet werden kann.
  • Um das Kühlmittel zum Kühlmittelstromzwischenraum 32 zu bringen, sind die Trennplatte 40, die Membran-Elektroden-Anordnung 20 und die Stromkollektoren 26, 27 mit Kühlflüssigkeitsverteilöffnungen 50, 50' für den Eingang und den Ausgang der Kühlflüssigkeit versehen. Kühlflüssigkeitsverteildichtbereiche 51 verlaufen auf beiden Seiten der Hauptebene der Trennplatte 40, um einen Kontakt zur Bildung von Dichtungen zwischen der Trennplatte 40 und der Membran-Elektroden-Anordnung 20 und/oder den Stromkollektoren 26, 27 zu schaffen und eine Kühlflüssigkeitsverteilung zu definieren. Die Kühlflüssigkeitsverteilöffnungen 50, 50' haben in jeder der Zellenkomponenten denselben Durchmesser, um der flachen Fläche der Kühlflüssigkeitsverteildichtbereiche 51 zu erlauben, einen Kontakt zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 20 und dem Anodenstromkollektor 26 einerseits und zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 20 und dem Kathodenstromkollektor 27 andererseits zu erzwingen, um eine Dichtung zu bilden, die die Kühlflüssigkeitsverteilung umgibt. Die Seitenwände der ausgedehnten Kühlflüssigkeitsverteildichtbereiche 51 sind in den Trennplatten 40 fest und vermeiden das Eintreten der Kühlflüssigkeit in die Anodenkammer oder die Kathodenkammer. Kühlflüssigkeitsöffnungen 53 in den Seitenwänden der ausgedehnten Kühlflüssigkeitsverteildichtbereiche 51 sorgen für eine Verbindung zwischen den Kühlflüssigkeitsverfeilöffnungen 50, 50' und dem Kühlflüssigkeitszwischenraum 32.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen Brennstoffzellenstapel mit einer höheren Leistungsdichte als die der bekannten Brennstoffzellenstapel zu schaffen. Durch das dichte Aneinanderliegen der die bipolare Trennplatte gemäß dieser Erfindung aufweisenden Blechelemente ist es möglich, einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen, der aus bis zu 15–30 Brennstoffzelleneinheiten je Zoll (25,4 mm) des Brennstoffzellenstapels besteht. Das heißt, dass ein ein Fuß (30,48 cm) hoher Brennstoffzellenstapel aus Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen gemäß dieser Erfindung bis zu 360 Brennstoffzelleneinheiten enthalten kann. Wenn jede Brennstoffzelleneinheit eine Fläche von etwa ein Quadratfuß (929 cm2) aufweist, wird eine Leistungsdichte von 86400 Watt/ft3 oder 3050 Watt je Liter erreicht (360 Brennstoffzelleneinheiten × 400 A je Quadratfuß [929 cm2] × 0,6 V/Zelle).
  • Die Trennplatte 40 weist, wie bereits erwähnt worden ist, mindestens zwei flächenparallele Blechelemente 30, 31 auf, die dicht beieinander liegen und einen Kühlstromzwischenraum 32 zwischen sich bilden. Der Abstand zwischen den flächenparallelen Blechelementen wird derart gewählt, dass ein möglichst kleiner Kühlflüsigkeitsdruckunterschied über den ganzen Kühltlüssigkeitszwischenraum 32 aufrecht erhalten wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführung dieser Erfindung liegt der Abstand zwischen den flächenparallelen Blechelementen 30, 31 im Bereich von etwa 0,002–0,010 Zoll (etwa 0,05–0,254 mm). Die flächenparallelen Blechelemente 30, 31 sind vorzugsweise aus Nickel, rostfreiem Stahl, Hochlegierungsstahl, Titan und/oder beschichteten Metallen zur Korrosionsvermeidung hergestellt und weisen eine Stärke im Bereich von etwa 0,002–0,004 Zoll (etwa 0,05–0,1 mm) auf. Wegen der geringen Stärke der Blechelemente 30, 31 sind die Ausbuchtungen oder Höcker 33 derart ausgebildet, dass sie vorzugsweise in die Blechelemente 30, 34 geprägt sind und damit die Blechelemente 30, 31 einen Abstand zueinander aufweisen. Dem Fachmann wird jedoch klar sein, dass andere Mittel einschließlich dem Widerstandsschweißen von mindestens einigen der Ausbuchtungen oder Höcker zur Aufrechterhaltung des Abstands zwischen den Blechelementen 30, 31 verwendet werden können. Das Widerstandsschweißen von mindestens einigen der Ausbuchtungen oder Höcker und die Ermöglichung eines zwischen den Blechelementen 30, 31 aufrecht zu erhaltenden Abstands sorgen auch für einen niedrigen Kontaktwiderstand zwischen den Blechelementen 30, 31, die wiederum die Bildung eines hohen elektrischen Widerstands durch die Trennplatte 40 vermeiden.
  • Die 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Elektrode, die der Seite eines Blechelements 70 einer Trennplatte gemäß einer Ausführung dieser Erfindung zugewandt ist. Der Mittelteil des Blechelements 70 ist der aktive Bereich und weist Leitmittel in Form von Riffelungen 60 zur Verteilung von gasförmigen Reaktionsteilnehmern an eine der Elektroden einer Memöran-Elektroden-Anordnung auf. Die Leitmittel sind typischerweise in das Blechelement 70 gepresst. Die den aktiven Bereich umgebenden Bereiche des Blechelements 70 sehen eine Abdichtung zwischen den die Trennplatte gemäß dieser Erfindung enthaltenden Blechelementen 70 und zwischen der Trennplatte und benachbarten Elementen eines Brennstoffzellenstapels vor und sind generell flach. Um die Verteilung von Reaktionsteilnehmergasen an die Elektroden zu unterstützen, ist ein Teil der flachen Bereiche, der generell dem mit Vertiefungen versehenen Abschnitt der in 2 gezeigten Trennplatte entspricht, mit Reaktionsteilnehmergasleitmitteln zur Verteilung der Reaktionsteilnehmergase an den aktiven Bereich der Trennplatte versehen. Im Gegensatz zu den in 2 gezeigten Vertiefungen 61, die normalerweise durch Pressen des Blechelements gebildet werden, sind die in 4 gezeigten und ebenfalls in Form von Vertiefungen 61a vorliegenden Leitmittel auf dem flachen Teil des Blechelements 70 durch ein unter Fachleuten bekanntes Siebdruckverfahren aufgebracht. Für den Fachmann ist ebenfalls klar, dass auch andere Formen von Siebalruckleitmitteln, beispielsweise Schienen, verwendet werden können und im Schutzumfang dieser Erfindung eingeschlossen sind.
  • Die 5 zeigt eine Draufsicht auf die Kühlflüssigkeitsseite des Blechelements 70, wobei diese Seite geriffelte und flache Abschnitte aufweist, die den geriffelten und flachen Abschnitten auf der Elektrodenseite des Blechelements 70 entsprechen. Wie in den 4 und 5 gezeigt ist, sind die flachen Teile des Blechelements 70 sowohl am Umfang des Blechelements 70 als auch um die Gasverteilungsöffnungen 24, 25 sowie die Kühlflüssigkeitsverteilöffnungen 50, 50' zu finden. Wie in 3 gezeigt ist, ist die Abdichtung zwischen den Blechelementen 30, 31 durch ein Dichtmaterial 34 vorgesehen, das sich rund um den Umfang der Trennplatte und auch rund um die Verteilöffnungen erstrecken, die durch die Blechelemente 30, 31 gebildet werden. Das Dichtmaterial 34 kann ein beliebiges Dichtmaterial sein, das zur Ausführung der Funktion geeignet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführung dieser Erfindung ist das Dichtmaterial durch einen Siebdruckauftrag unmittelbar auf die flachen Teile des Blechelements 70 gebildet.
  • Um die in den Kühlflüssigkeitszwischenraum 32 eintretende Kühlflüssigkeit durch die Kühlflüssigkeitsöffnung 50 zu verteilen, sind die flachen Teile des Blechelements 70 auf dessen Kühlflüssigkeitsseite mit Kühlflüssigkeitsleitmitteln versehen, die dort ebenfalls im Siebdruckverfahren aufgebracht sind. Diese Kühlflüssigkeitsleitmittel haben vorzugsweise die Form von Vertiefungen oder Schienen 66. Zusätzlich zum Vorsehen von Mitteln zur Verteilung der Kühlflüssigkeit sind die Kühlflüssigkeitsleitmittel und auch das Dichtmaterial 34 dafür geeignet, eine Trennung zwischen den Blechelementen aufrecht zu erhalten.
  • Während die Erfindung in der vorstehenden Beschreibung in Verbindung mit bestimmten, bevorzugten Ausführungen gemäß der Erfindung beschrieben und viele Einzelheiten zu Darstellungszwecken dargelegt worden sind, dürfte es für den Fahmann klar sein, dass die Erfindung bei zusätzlichen Ausführungen anwendbar ist und dass bestimmte der beschriebenen Einzelheiten wesentlich abgeändert werden können, ohne die Grundprinzipien der Erfindung zu verlassen.

Claims (19)

  1. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel, umfassend eine Vielzahl an Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelleneinheiten, wobei jede Brennstoffzelleneinheit eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Anodenelektrodenfilm auf einer Stirnfläche und einem Kathodenelektrodenfilm auf einer gegenüberliegenden Stirnfläche, einen Anodenelektrodenfilmseite der Membran-Elektroden-Anordnung und einen Kathodenstromkollektor auf der Kathodenfilmseite der Membran-Elektroden-Anordnung, und eine Separatorplatte, angeordnet zwischen der Anodenelektrodenfilmseite der Membran-Elektroden-Anordnung von einer der Brennstoffzelleneinheit und der Kathodenelektrodenfilmseite der Membran-Elektroden-Anordnung der angrenzenden Brennstoffzelleneinheit, mit Leitungseinrichtungen für die Verteilung von Brennstoff und Oxidationsgasen zu der Anodenelektrodenfilmseite bzw. der Kathodenelektrodenfilmseite, aufweist, umfassend: die Separatorplatte, aufgebaut aus mindestens zwei koextensiven bzw. zusammen ausgreifenden Blechelementen mit den praktisch identisch gestalteten Leiturgseinrichtungen, wobei mindestens zwei koextensive Blechelemente sich aneinander schmiegen und einen Kühlmittel-Fließzwischenraum dazwischen bilden.
  2. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 1, wobei die Leitungseinrichtungen eine Vielzahl an Riffelungen, ausgebildet in den mindestens zwei Blechelementen, umfasst.
  3. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 1, wobei die Leitungseinrichtungen eine Vielzahl an Grübchen bzw. Vertiefungen, ausgebildet in den mindestens zwei Blechelementen, umfassen.
  4. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 1, wobei die mindestens zwei koextensiven, sich aneinander anschmiegenden Blechelemente zueinander auf Distanz gehalten werden durch eine Vielzahl an Höckern bzw. Ausbuchtungen, die der Blechelement-Stirnfläche von mindestens einem der mindestens zwei koextensiven, sich aneinander schmiegenden Blechelemente eingeprägt sind.
  5. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellstapel in einem Bereich von 15 bis 30 Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelleneinheiten pro Inch (25,4 mm) umfasst.
  6. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen den mindestens zwei Blechelementen in einem Bereich von etwa 0,002 Inch bis etwa 0,010 Inch (etwa 0,05 bis etwa 0,254 mm) liegt.
  7. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Blechelemente aus einem Material aufgebaut sind, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, nichtrosten dem Stahl, hochlegiertem Stahl, Titan und aus zur Vorbeugung gegen Korrosion aufbeschichteten Metallen.
  8. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspuch 1, weiterhin umfassend eine Vielzahl an inneren Manifolds bzw. Verteilern für die Zufuhr des Brennstoffs und der Oxidationsgase zu jeder der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen und für die Abführung von Abgasen davon.
  9. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 2, wobei die mindestens zwei koextensiven, sich aneinander schmiegenden Blechelemente zueinander auf Distanz gehalten werden durch eine Vielzahl an Ausbuchtungen, die auf eine Vielzahl an Peaks bzw. Erhebungen der Rillen auf einer Blechelement-Stirnfläche von mindestens einem der zwei koextensiven, sich aneinander schmiegenden Blechelemente eingeprägt sind.
  10. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 1, wobei die mindestens zwei koextensiven, sich aneinander schmiegenden Blechelemente zueinander auf Distanz gehalten werden durch ein Dichtungsmaterial, angeordnet um die Peripherie der koextensiven, aneinander geschmiegten Blechelemente zwischen den koextensiven, aneinander geschmiegten Blechelementen.
  11. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 1, wobei die Separatorplatte eine zentral angeordnete aktive Region umfasst und die die Separatorplatte umfassenden koextensiven Blechele mente im Wesentlichen flach sind und die zentral angeordnete aktive Region umschließen.
  12. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 11, wobei die flachen Bereiche der koextensiven Blechelemente die Leitungseinrichtungen zur Verteilung von Brennstoff und Oxidationsgase in die zentral angeordnete aktive Region zu der Anodenelektrodenfilmseite bzw. der Kathodenelektrodenfilmseite umfassen, wobei die Leitungseinrichtungen mindestens eine der auf die flachen Bereiche durch Siebdruck aufgedruckten Schienen und Grübchen umfasst.
  13. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 11, wobei die flachen Bereiche der koextensiven Blechelemente Kühlmittelfluid-Leitungseinrichtungen auf den Stirnflächenseiten der koextensiven Blechelemente umfassen.
  14. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 13, wobei die Kühlmittelfluid-Leitungseinrichtungen aus durch Siebdruck auf die flachen Bereiche aufgedruckten Schienen und Grübchen bestehen.
  15. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel, umfassend eine Vielzahl von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelleneinheiten, wobei jede Brennstoffzelleneinheit eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Anodenelektrodenfilm auf einer Stirnfläche und einem Kathodenelektrodenfilm auf einer gegenüberliegenden Fläche, einem Anodenstromkollektor auf der Anodenelektrodenfilmseite der Membran-Elektroden-Anordnung und einem Katho denstromkollektor auf der Kathodenfilmseite der Membran-Elektroden-Anordnung, und eine Separatorplatte, angeordnet zwischen der Anodenelektrodenfilmseite der Membran-Elektroden-Anordnung von einer der Brennstoffzelleneinheit und der Kathodenelektrodenfilmseite der Membran-Elektroden-Anordnung einer angrenzenden Brennstoffzelleneinheit mit Leitungseinrichtungen für die Verteilung von Brennstoff und Oxidationsgasen auf die Anodenelektrodenfilmseite bzw. die Kathodenelektrodenfilmseite und das Ausbilden einer Anodenkammer zwischen der Anodenelektrodenfilm-Stirnflächenseite des Separators und dem Anodenelektrodenfilm und Ausbilden einer Kathodenkammer zwischen der gegenüberliegenden Kathodenelektrodenfilm-Stirnflächenseite des Separators und dem Kathodenelektrodenfilm der angrenzenden Brennstoffzelleneinheit, wobei die Anodenkammer mit einer/einem Brennstoffgaszufuhr und -auslass in Gasverbindung steht und die Kathodenkammer mit einer/einem Oxidationsgaszufuhr und -auslass in Gasverbindung steht, umfassend: die Separatorplatte, aufgebaut aus mindestens zwei koextensiven Blechelementen mit im Wesentlichen identisch gestalteten Leitungseinrichtungen, wobei die mindestens zwei koextensiven Blechelemente aneinander geschmiegt sind und einen Kühlmittel-Fließzwischenraum dazwischen bilden; die Separatorplatte mit einer abgeflachten peripheren Versiegelungsstruktur, die sich unter Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen und den Stromkollektoren auf jeder Fläche der Separatorplatten völlig um die Anodenkammer bzw. die Kathodenkammer herum erstrecken unter Bildung einer peripheren Versiegelung unter Zellenbetriebsbedingungen; die Membran-Elektroden-Anordnungen und die Separatorplatten jeweils mit einer Vielzahl von ausgerichteten Perforationen, wobei die Perforationen in den Separatorplatten auf der Anodenelektrodenfilm-Stirnflächenseite und der Kathodenelektrodenfilm-Stirnflächenseite von einer abgeflachten Manifold-Versiegelungsstruktur umgeben werden, die sich unter Kontakt zu einer der Membran-Elektroden-Anordnungen und den Stromkollektoren auf den Anodenelektrodenfilm-Stirnflächenseiten und den Kathodenelektrodenfilm-Stirnflächenseiten der Separatorplatten erstrecken unter Bildung einer Manifoldversiegelung unter Zellenbetriebsbedingungen unter Bildung einer Vielzahl an Brennstoffgas- und Oxidationsmanifolds, die durch den Zellstapel hindurch verlaufen; Brennstoffleitungen durch die abgeflachte Manifold-Versiegelungsstruktur, die eine Brennstoffgasverbindung zwischen den Brennstoffgasmanifolds und den Anodenkammern auf der Anodenelektrodenfilm-Stirnflächenseite der Separatorplatten vorsieht, wodurch eine völlig intern verlaufende Verteilung von Brennstoff zu und von der Brennstoffzelleneinheit in dem Brennstoffzellstapel vorgesehen wird; und Oxidationsleitungen durch die abgeflachte Manifold-Versiegelungsstruktur hindurch unter Vorsehung einer Oxidationsgasverbindung zwischen Oxidationsgasverzweigungen bzw. -manifolds und den Kathodenkammern auf der Kathodenelektrodenfilm-Stirnflächenseite der Separatorplatten, wodurch eine völlig intern verlaufende Verteilung von Oxidationsmittel zu und von jeder der Brennstoffzelleneinheiten in dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen wird.
  16. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 15, wobei die Separatorplatten und die Membran-Elektroden-Anordnungen eine Vielzahl an ausgerichteten Kühlmittelfluidaustrittsöffnungen aufweisen, wobei die Austrittsöffnungen in den Separatorplatten auf der Anodenelektrodenfilm-Stirnflächenseite und der Kathodenelektrodenfilm-Stirnflächenseite durch eine abgeflachte Kühlmittelfluid-Manifold-Versiegelungsstrukturumschlossen werden, die sich unter Kontakt zu einer der Membran-Elektroden-Anordnungen und den Stromkollektoren auf den Anodenelektrodenfilm-Stirnflächenseiten und den Kathodenelektrodenfilm-Stirnflächenseiten der Separatorplatten erstrecken unter Bildung einer Kühlmittelfluid-Manifold-Versiegelung unter Zellenbetriebsbedingungen unter Bildung einer Vielzahl an Kühlmittelfluidmanifolds, die durch den Zellstapel hindurch verlaufen.
  17. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 15, wobei die mindestens zwei koextensiven, sich aneinander schmiegenden Blechelemente zueinander auf Distanz gehalten werden durch eine Vielzahl an Ausbuchtungen, die auf einer Blechelement-Stirnflächenseite von mindestens einem der mindestens zwei koextensiven, sich aneinander schmiegenden Blechelementen eingeprägt sind.
  18. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 15, wobei der Abstand zwischen den mindestens zwei Blechelementen in einem Bereich von etwa 0,002 Inch bis etwa 0,010 Inch (etwa 0,05 bis etwa 0,254 mm) liegt.
  19. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellstapel in Übereinstimmung mit Anspruch 15, wobei die mindestens zwei Blechelemente aus einem Material aufgebaut sind, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, nichtrostendem Stahl, hochlegiertem Stahl, Titan und aus zur Vorbeugung gegen Korrosion beschichteten Metallen.
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