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Dokumentenidentifikation DE112005003103T5 31.10.2007
Titel Reaktandenzufuhr für ineinander gesetzte geprägte Platten für eine kompakte Brennstoffzelle
Anmelder General Motors Corp., Detroit, Mich., US
Erfinder Goebel, Steven G., Victor, N.Y., US;
Rock, Jeffrey A., Fairport, N.Y., US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Aktenzeichen 112005003103
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KN, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 31.10.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/US2005/039178
WO-Veröffentlichungsnummer 2006065370
WO-Veröffentlichungsdatum 22.06.2006
Date of publication of WO application in German translation 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse H01M 8/00(2006.01)A, F, I, 20051031, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01M 8/04(2006.01)A, L, I, 20051031, B, H, DE   H01M 4/00(2006.01)A, L, I, 20051031, B, H, DE   H01M 2/02(2006.01)A, L, I, 20051031, B, H, DE   H01M 4/86(2006.01)A, L, I, 20051031, B, H, DE   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft allgemein eine Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel und insbesondere eine Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel, wobei die Brennstoffzelle ineinandergesetzte Strömungskanäle in einem aktiven Gebiet der Brennstoffzelle und nicht ineinandergesetzte Strömungskanäle in inaktiven Zufuhrgebieten der Brennstoffzelle aufweist, und wobei die Diffusionsmediumschichten in den Zellen in den inaktiven Zufuhrgebieten entfernt sind, um mehr Raum für die nicht ineinandergesetzten Kanäle vorzusehen.

2. Beschreibung des Stand der Technik

Wasserstoff ist ein attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge erzeugen, die Verbrennungsmotoren verwenden.

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement wie auch eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO).

Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einen Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas auf, typischerweise eine Strömung aus Luft, die durch den Stapel mit einem Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.

Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Strömungsfeldplatten oder Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. In der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite jeder MEA strömen kann. In der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite jeder MEA strömen kann. Die Bipolarplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle wie auch aus dem Stapel herausleiten.

Es ist früher von den Erfindern in der U.S. Patentanmeldung Seriennummer 10/661,195 mit dem Titel "Nested Stamped Plates for a Compact Fuel Cell", die am 12. September 2003 eingereicht wurde, vorgeschlagen worden, dass die Dicke oder Wiederholdistanz eines Brennstoffzellenstapels dadurch reduziert werden kann, dass die Strömungskanäle in dem aktiven Gebiet der Brennstoffzellen ineinandergesetzt werden. 1 ist eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellenstapels 10, die diese vorgeschlagene Konstruktion zeigt. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist zwei MEAs 12 und 14 für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel 10 auf. Jede MEA 12 und 14 weist eine Membran des oben beschriebenen Typs und eine anodenseitige Katalysatorschicht und eine kathodenseitige Katalysatorschicht auf. Eine anodenseitige Gasdiffusionsmediumschicht 16 ist benachbart der MEA 12 positioniert, und eine kathodenseitige Gasdiffusionsmediumschicht 18 ist benachbart der MEA 14 positioniert. Die Diffusionsmediumschichten 16 und 18 sind poröse Schichten, die für einen Eingangsgastransport zu und Wassertransport von den MEAs 12 und 14 sorgen. In der Technik sind verschiedene Vorgehensweisen bekannt, um die Katalysatorschichten auf den Membranen in den MEAs 12 und 14 oder auch den Diffusionsmediumschichten 16 und 18 abzuscheiden.

Eine Bipolarplattenanordnung 20 ist zwischen den Diffusionsmediumschichten 16 und 18 positioniert. Die Bipolarplattenanordnung 20 weist zwei geprägte bzw. gestanzte Metallbipolarplatten 22 und 24 auf, die gemeinsam in die ineinandergesetzte Konfiguration zusammengebaut sind, wie gezeigt ist. Die ineinandergesetzten Platten 22 und 24 definieren parallele Anodengaströmungskanäle 28 und parallele Kathodengasströmungskanäle 30, wobei die Anodenströmungskanäle 28 eine Wasserstoffströmung an die Anodenseite der MEA 12 liefern und die Kathodenströmungskanäle 30 eine Luftströmung an die Kathodenseite der MEA 14 liefern. Zusätzlich definieren die Platten 22 und 24 Kühlmittelströmungskanäle 32, durch die ein Kühlfluid strömt, um den Brennstoffzellenstapel 10 zu kühlen, wie es in der Technik gut bekannt ist. Bei dieser Konstruktion ist die Größe der Kühlmittelströmungskanäle 32 von der Größe der Kühlkanäle, die in den nicht ineinandergesetzten geprägten Platten nach dem Stand der Technik vorgesehen sind, reduziert, was die Reduzierung der Wiederholdistanz des Brennstoffzellenstapels 10 vorsieht. Die Reduzierung der Größe der Kühlmittelströmungskanäle 32 gegenüber den bekannten Kühlkanälen beeinflusst die Kühlfähigkeit der Kühlkanäle nicht signifikant, da die größeren Kanäle mehr als ausreichend waren, um die nötige Kühlung vorzusehen. Die Reduzierung des Kühlmittelvolumens reduziert auch die thermische Masse, die während des Systemstarts erhitzt werden muss.

Die Anodenströmungskanäle 28 stehen in Fluidverbindung mit einer Anodenströmungskanalsammelleitung an jedem Ende des Brennstoffzellenstapels 10, wobei eine Sammelleitung die Anodengasströmung aufnimmt, um diese an die Anodengasströmungskanäle 28 zu verteilen, und die andere Anodensammelleitung das Anodenabgas von den Anodenströmungskanälen aufnimmt. Ähnlicherweise stehen die Kathodengasströmungskanäle 30 in Fluidverbindung mit einer Kathodenströmungskanalsammelleitung an jedem Ende des Stapels 10, und die Kühlströmungskanäle 32 stehen in Fluidverbindung mit einer Kühlmittelströmungskanalsammelleitung an jedem Ende des Stapels 10. Jedoch ist es, um die Anodenströmungskanäle 28 mit den Anodenkanalsammelleitungen, die Kathodenströmungskanäle 30 mit den Kathodenkanalsammelleitungen und die Kühlmittelströmungskanäle 32 mit den Kühlmittelkanalsammelleitungen zu koppeln, notwendig, die Platten 22 und 24 in den nicht aktiven Zufuhrgebieten des Stapels zu trennen und aus der ineinander gesetzten Konfiguration auseinander zu nehmen.

Da die nicht ineinandergesetzte Konfiguration der Strömungskanäle 28, 30 und 32 mehr Raum als die ineinandergesetzte Konfiguration der Kanäle 28, 30 und 32 erfordert, würde die Reduzierung der Dicke des Stapels 10, die durch die ineinandergesetzte Konfiguration vorgesehen wird, durch Verwendung der bekannten, nicht ineinandergesetzten Konfiguration in den inaktiven Gebieten beseitigt. Es ist möglich, die Größe der Strömungskanäle 28, 30 und 32 in den nicht ineinandergesetzten inaktiven Gebieten zu reduzieren, so dass die Strömungskanäle 28, 30 und 32 nicht mehr Raum verwenden, als sie in der ineinandergesetzten Konfiguration verwenden. Jedoch würde eine derartige Reduktion der Größe der Kanäle 28, 30 und 32 einen Druckabfall über die Kanäle bewirken, der den Durchfluss und die Leistung des Stapels 10 beeinträchtigen würde.

Die vorliegende Erfindung schlägt eine Lösung für einen Übergang von der ineinandergesetzten Konfiguration zu der nicht ineinandergesetzten Konfiguration der Bipolarplatten ohne Reduzierung der Größe der Kanäle oder Erhöhung der Dicke des Stapels vor.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel offenbart, die einen Übergang von ineinandergesetzten Bipolarplatten in dem aktiven Gebiet des Stapels zu nicht ineinandergesetzten Bipolarplatten in den inaktiven Zufuhrgebieten des Stapels vorsieht, ohne die reduzierte Stapeldicke aufzugeben, die durch die ineinandergesetzten Platten vorgesehen wird, oder die Größe der Strömungskanäle zu ändern. Insbesondere werden die Diffusionsmediumschichten in den Brennstoffzellen des Stapels in den inaktiven Zufuhrgebieten entfernt, wo die Bipolarplatten nicht ineinandergesetzt sind, so dass das Volumen, das notwendig ist, um die Größe der Strömungskanäle beizubehalten, ohne Notwendigkeit einer Erhöhung der Distanz zwischen benachbarten MEAs vorgesehen wird. Zusätzlich ist die Membran der MEAs in den inaktiven Gebieten nicht mit Katalysator versehen. Es kann eine dünne Unterlage zwischen den Membranen und den Platten in den inaktiven Gebieten vorgesehen werden, um die Membran zu stützen, wo die Diffusionsmediumschicht entfernt worden ist, um zu verhindern, dass die Membran in die Strömungskanäle eindringt und die reaktive Strömung blockiert.

Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine teilweise Schnittansicht eines aktiven Gebietes eines Brennstoffzellenstapels, der ineinandergesetzte geprägte Bipolarplatten verwendet;

2 ist eine teilweise Schnittansicht eines inaktiven Zufuhrgebietes eines Brennstoffzellenstapels, der nicht ineinandergesetzte geprägte Bipolarplatten verwendet, wobei die Gasdiffusionsmediumschichten entfernt worden sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

3 ist eine teilweise Schnittansicht eines inaktiven Zufuhrgebietes eines Brennstoffzellenstapels, der nicht ineinandergesetzte geprägte Bipolarplatten verwendet, wobei die Gasdiffusionsmediumschichten entfernt worden sind und Unterlagen hinzugefügt worden sind, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

4 ist eine teilweise Schnittansicht des Übergangs zwischen einem inaktiven Zufuhrgebiet und einem aktiven Gebiet eines Brennstoffzellenstapels gemäß der Erfindung;

5 ist eine Draufsicht einer Platte in einem Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

6 ist ein Volumenmodell eines Brennstoffzellenstapels mit einem aktiven Gebiet, das ineinandergesetzte geprägte Bipolarplatten aufweist, und einem inaktiven Zufuhrgebiet, das nicht ineinandergesetzte geprägte Bipolarplatten aufweist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Brennstoffzellenkonstruktion gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzellenkonstruktion beschrieben, die ineinandergesetzte geprägte bzw. gestanzte Bipolarplatten in einem aktiven Gebiet der Brennstoffzelle und nicht ineinandergesetzte geprägte Bipolarplatten in einem inaktiven Zufuhrgebiet der Brennstoffzelle aufweist. 2 ist eine teilweise Schnittansicht durch ein inaktives Zufuhrgebiet eines Brennstoffzellenstapels 40. Der Stapel 40 weist benachbarte Membrane 42 und 44 auf, die Teil von zwei benachbarten MEAs in dem Stapel 40 sind. Der Brennstoffzellenstapel 40 weist auch eine Bipolarplattenanordnung 46 auf, die zwei geprägte nicht ineinandergesetzte Bipolarplatten 48 und 50 aufweist. Die Platten 48 und 50 sind geprägt, so dass sie Anodenströmungskanäle 52, Kathodenströmungskanäle 54 und Kühlmittelströmungskanäle 56 definieren.

Es ist notwendig, dass die Platten 48 und 50 in den Zufuhrgebieten des Stapels 40 nicht ineinandergesetzt sind, so dass die Eingangsgase und das Kühlfluid getrennt und mit geeigneten Verteilersammelleitungen gekoppelt werden können. Der Brennstoffzellenstapel 40 weist ein Übergangsgebiet, wie unten beschrieben ist, zwischen dem aktiven Gebiet und den inaktiven Gebieten des Brennstoffzellenstapels 40 auf, wobei die Anodenströmungskanäle 52 in Fluidverbindung mit den Anodenströmungskanälen 28 stehen, die Kathodenströmungskanäle 54 in Fluidverbindung mit den Kathodenkanälen 30 stehen und die Kühlmittelströmungskanäle 56 in Fluidverbindung mit den Kühlmittelströmungskanälen 32 stehen.

Gemäß der Erfindung ist die Größe der nicht ineinandergesetzten Kanäle 52 und 54 gleich oder nahezu gleich der Größe der ineinandergesetzten Kanäle 28 bzw. 30 durch Beseitigung der Diffusionsmediumschichten 16 und 18 in den inaktiven Zufuhrgebieten des Brennstoffzellenstapels 40. In den inaktiven Zufuhrgebieten würden die Katalysatorschichten der MEAs 12 und 14 ebenfalls beseitigt, wodurch mit Unterdichtungen versehene Membrane 42 und 44 zurückbleiben. Es sei angemerkt, dass die MEAs 12 und 14 typischerweise eine Unterdichtung (nicht gezeigt) außerhalb des aktiven Gebietes aufweisen. Die Unterdichtung verhindert einen direkten Kontakt der Ionomermembran mit den Platten 48 und 50 oder den Dichtungen. Die Unterdichtung ist typischerweise ein 0,25 &mgr;m dicker Film aus Kapton oder einem anderen geeigneten Kunststoff. Daher kann das Volumen, das durch die Diffusionsmediumschichten 16 und 18 in dem aktiven Gebiet des Brennstoffzellenstapels 40 verwendet wurde, dazu verwendet werden, die nicht ineinandergesetzten Bipolarplatten 48 und 50 in den inaktiven Gebieten aufzunehmen, so dass die Größe der Strömungskanäle ohne Erhöhung der Wiederholdistanz des Stapels 40 beibehalten werden kann. Die Diffusionsmediumschichten 16 und 18 sind allgemein etwa 0,2 mm dick, was ausreichend ist, um den notwendigen Raum vorzusehen.

Die Größe der Kühlmittelströmungskanäle 56 steigt von der ineinandergesetzten Konfiguration zu der nicht ineinandergesetzten Konfiguration auf etwa das Doppelte der Größe an, jedoch beeinflusst der Druckabfall, der durch den Kühlmittelkanalübergang vorgesehen wird, die Leistungsfähigkeit des Stapels 40 nicht. Ferner können die inaktiven Zufuhrgebiete mit nicht ineinandergesetzten Platten die Plattenauflagefläche für das aktive Gebiet erhöhen, jedoch ist das Gesamtvolumen des Stapels aufgrund der Verringerung der Stapelhöhe, die durch die ineinandergesetzten Platten vorgesehen wird, reduziert.

Da die Membrane 42 und 44 nicht durch die Diffusionsmediumschichten 16 und 18 in den Zufuhrgebieten des Stapels 40 gestützt sind, kann die Tendenz bestehen, dass sie in die Strömungskanäle 52 und 54 eindringen können. Da die MEA typischerweise Unterdichtungen über das aktive Gebiet hinaus mit einer ausreichenden Dicke aufweist, können die Unterdichtungen eine angemessene Membranabstützung in den Zufuhrgebieten vorsehen. 3 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels 60, der ähnlich dem Brennstoffzellenstapel 40 ist, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Der Brennstoffzellenstapel 60 umfasst eine dünne Unterlage 62, die zwischen der Membran 42 und der Platte 48 positioniert ist, und eine dünne Unterlage 64, die zwischen der Membran 44 und der Platte 50 positioniert ist. Die Unterlagen 62 und 64 verhindern, dass die Membrane 42 bzw. 44 in die Strömungskanäle 52 bzw. 54 eindringen. Die Unterlagen 62 und 64 können an der Stelle angeordnet werden oder können entweder mit den Membranen 42 bzw. 44 oder mit den Platten 48 bzw. 50 verbunden sein. Die Unterlagen 62 und 64 können auch als ein Dichtungsträger funktionieren. Die Unterlagen 62 und 64 können aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen, wie Metall oder Kunststoff, und können eine geeignete Dicke besitzen, wie 0,025 &mgr;m, um die gewünschte Abstützung vorzusehen.

4 ist eine Schnittansicht eines Abschnittes eines Brennstoffzellenstapels 70, die ein Beispiel eines Übergangsgebietes 72 zwischen ineinandergesetzten Bipolarplatten 74 und 76 in einem aktiven Gebiet 78 des Brennstoffzellenstapels 70 und nicht ineinandergesetzten Bipolarplatten 80 und 82 in einem inaktiven Zufuhrgebiet 84 des Brennstoffzellenstapels 70 zeigt. Der Brennstoffzellenstapel 70 weist Membrane 86 und 88 auf, die sich über das aktive Gebiet 78 und das inaktive Gebiet 84 erstrecken. Gasdiffusionsmediumschichten 90 und 92 sind benachbart der Membrane 86 bzw. 88 in dem aktiven Gebiet 78 vorgesehen. Die Unterlagen 94 und 96 sind zwischen den nicht ineinandergesetzten Platten 80 und 82 und den Membranen 86 bzw. 88 in dem inaktiven Gebiet 84 positioniert. Die relativen Größen der Anoden- und Kathodenströmungskanäle 98 und 100 in dem inaktiven Gebiet 84 und dem aktiven Gebiet 78 sind im Wesentlichen gleich. Der Strömungskanal 102 in dem aktiven Gebiet 78 kann beliebige des Anodenströmungskanals, des Kathodenströmungskanals oder des Kühlmittelströmungskanals repräsentieren.

5 ist eine Draufsicht einer Bipolarplattenanordnung 110 in einem Brennstoffzellenstapel 112. Der Brennstoffzellenstapel 112 umfasst ein aktives Gebiet 114, das geprägte Bipolarplatten aufweist, die ineinandergesetzt sind, und inaktive Zufuhrgebiete 116 und 118 an entgegengesetzten Enden des aktiven Gebietes 114, die geprägte Bipolarplatten aufweisen, die nicht ineinandergesetzt sind, in Übereinstimmung mit der Beschreibung oben. Die geprägten Bipolarplatten weisen die verschiedenen Strömungskanäle auf, wie oben beschrieben ist. Eine Kathodeneinlasssammelleitung 120 an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 112 lenkt die Kathodenluft in die Kathodenströmungskanäle in dem inaktiven Gebiet 116. Die Kathodenluft strömt durch die Kathodenströmungskanäle in dem inaktiven Zufuhrgebiet 116, durch die Kathodenströmungskanäle in dem aktiven Gebiet 114 und durch die Kathodenströmungskanäle in dem inaktiven Gebiet 118. Das Kathodenabgas wird von einer Kathodenauslasssammelleitung 122 gesammelt.

Eine Anodeneinlasssammelleitung 126 an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 112 lenkt das Wasserstoffgas in die Anodenströmungskanäle in dem inaktiven Gebiet 118. Das Wasserstoffgas strömt durch die Anodenströmungskanäle in dem inaktiven Zufuhrgebiet 118, durch die Anodenströmungskanäle in dem aktiven Gebiet 114 und durch die Anodenströmungskanäle in dem inaktiven Gebiet 116. Das Anodenabgas wird von einer Anodenauslasssammelleitung 128 gesammelt. Bei dieser nicht beschränkenden Ausführungsform sind das Anodengas und das Kathodengas gegenstromig.

Eine Kühlmitteleinlasssammelleitung 132 an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 112 lenkt das Kühlfluid in die Kühlmittelströmungskanäle in dem inaktiven Gebiet 116. Das Kühlfluid strömt durch die Kühlmittelströmungskanäle in dem inaktiven Zufuhrgebiet 116, durch die Kühlmittelströmungskanäle in dem aktiven Gebiet 114 und durch die Kühlmittelströmungskanäle in dem inaktiven Gebiet 118. Das Kühlfluid wird von einer Kühlmittelauslasssammelleitung 134 gesammelt.

6 ist eine perspektivische Ansicht eines Volumenmodells eines Brennstoffzellenstapels 140, der ein aktives Gebiet 142, das die ineinandergesetzten Bipolarplatten besitzt, und ein inaktives Zufuhrgebiet 144 aufweist, das die nicht ineinandergesetzten Bipolarplatten besitzt. Ein Übergangsgebiet 146 zwischen dem Gebiet 142 und dem Gebiet 144 sieht den Übergang der Kanäle von der ineinandergesetzten Konfiguration zu der nicht ineinandergesetzten Konfiguration vor. Das Kühlfluid von der Kühlmittelsammelleitung (nicht in 6 gezeigt) wird in Strömungskanäle 148 in dem inaktiven Gebiet 144 gelenkt, die Wasserstoffgasströmung von der Anodensammelleitung (nicht in 6 gezeigt) wird in Strömungskanäle 150 in dem inaktiven Gebiet 144 gelenkt und das Kathodengas von der Kathodensammelleitung (nicht in 6 gezeigt) wird in Strömungskanäle 152 in dem inaktiven Gebiet 144 gelenkt. Bei dieser Ausführungsform sind das Anodengas und das Kathodengas gleichstromig.

Tabelle 1 unten sieht einen Vergleich verschiedener Parameter, die oben beschrieben sind, für eine ineinandergesetzte Plattenkonstruktion, eine nicht ineinandergesetzte Plattenkonstruktion und eine ineinandergesetzte Plattenkonstruktion, die Kanäle mit halber Höhe aufweist, vor. Diese Daten stammen von einem Brennstoffzellenstapel mit einer aktiven Fläche von 360 cm2, 200 Zellen, einer Ausgangsleistung von 66 kW, einer Stromdichte von 1,5 Acm2 und einem niedrigen Druck. Die ineinandergesetzten Konstruktionen sind kleiner (höhere kW/1) und besitzen eine noch größere Verringerung der thermischen Masse von 27 auf 19–20 kJ/K aufgrund des reduzierten Kühlmittelvolumens. Das Zufuhrgebiet mit halber Höhe sieht einen kleineren Stapel vor, als die ineinandergesetzte vorliegende Erfindung, da die Zufuhrgebiete aktive Gebiete sein können. Jedoch führt der Druckabfall aufgrund dieser sehr flachen Zufuhrkanäle zu einem unakzeptabel hohen Druckabfall (85 kPa gegenüber 30 kPa auf der Kathodenseite).

Tabelle 1

Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute erkennen leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Zusammenfassung

Eine Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel sieht einen Übergang von ineinandergesetzten Bipolarplatten in dem aktiven Gebiet des Stapels zu nicht ineinandergesetzten Bipolarplatten in den inaktiven Gebieten des Stapels vor, ohne die reduzierte Stapeldicke aufzugeben, die durch die ineinandergesetzten Platten vorgesehen wird, oder die Größe der Strömungskanäle zu ändern. Insbesondere werden die Diffusionsmediumschichten in den Brennstoffzellen in den inaktiven Gebieten entfernt, wo die Bipolarplatten nicht ineinandergesetzt sind, so dass das Volumen, das notwendig ist, um die Größe der Strömungskanäle beizubehalten, ohne die Notwendigkeit vorgesehen wird, die Distanz zwischen benachbarten MEAs zu erhöhen. Es kann eine dünne Unterlage zwischen den Membranen und den Platten in den inaktiven Gebieten vorgesehen sein, um die Membran zu stützen, wo die Diffusionsmediumschicht entfernt worden ist, um zu verhindern, dass die Membran in die Strömungskanäle eindringt und die reaktive Strömung blockiert.


Anspruch[de]
Brennstoffzellenstapel, mit:

einem aktiven Gebiet, das einen Stapel aus Brennstoffzellen aufweist, wobei jede Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer Kathodenseite und einer Anodenseite, eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht auf der Kathodenseite der MEA, eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht auf der Anodenseite der MEA und eine Bipolarplattenanordnung des aktiven Gebiets aufweist, die zwischen gegenüberliegenden Diffusionsmediumschichten in benachbarten Brennstoffzellen positioniert ist, wobei die Bipolarplattenanordnung des aktiven Gebiets ineinandergesetzte Bipolarplatten aufweist, die kathodenseitige Strömungskanäle und anodenseitige Strömungskanäle definieren; und

einem inaktiven Zufuhrgebiet, das einen Stapel aus Membranen, die einen Teil der MEAs in dem Stapel von Brennstoffzellen bilden, und eine Bipolarplattenanordnung des Zufuhrgebiets aufweist, wobei die Bipolarplattenanordnung des Zufuhrgebiets nicht ineinandergesetzte Bipolarplatten aufweist, die kathodenseitige Strömungskanäle und anodenseitige Strömungskanäle definieren, wobei die kathodenseitigen Strömungskanäle in dem Zufuhrgebiet in Fluidverbindung mit den kathodenseitigen Kanälen in dem aktiven Gebiet stehen und etwa dieselbe Größe wie diese aufweisen und die anodenseitigen Strömungskanäle in dem Zufuhrgebiet in Fluidverbindung mit den anodenseitigen Strömungskanälen in dem aktiven Gebiet stehen und etwa dieselbe Größe wie diese aufweisen, wobei die Brennstoffzellen in dem inaktiven Zufuhrgebiet keine Diffusionsmediumschichten aufweisen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, ferner mit Unterlagen, die benachbart der Membrane in dem inaktiven Zufuhrgebiet zum Stützen der Membrane positioniert sind. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die ineinandergesetzten Bipolarplatten und die nicht ineinandergesetzten Bipolarplatten geprägte Platten sind. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die nicht ineinandergesetzten Bipolarplatten auch Kühlmittelströmungskanäle definieren und die ineinandergesetzten Bipolarplatten auch Kühlmittelströmungskanäle definieren, wobei die Kühlmittelströmungskanäle in dem inaktiven Zufuhrgebiet in Fluidverbindung mit den Kühlmittelströmungskanälen in dem aktiven Gebiet stehen. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei die Kühlmittelströmungskanäle in dem inaktiven Zufuhrgebiet etwa die doppelte Größe wie die Kühlmittelströmungskanäle in dem aktiven Gebiet aufweisen. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel sich an einem Fahrzeug befindet. Brennstoffzelle mit einem inaktiven Zufuhrgebiet, das eine Membran und eine Bipolarplattenanordnung des inaktiven Gebietes aufweist, wobei die Bipolarplattenanordnung des inaktiven Gebietes nicht ineinandergesetzte Bipolarplatten aufweist, die kathodenseitige Strömungskanäle und anodenseitige Strömungskanäle definieren, und wobei das inaktive Gebiet keine Diffusionsmediumschichten aufweist. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei die nicht ineinandergesetzten Bipolarplatten geprägte Platten sind. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, ferner mit einem aktiven Gebiet, das eine Bipolarplattenanordnung des aktiven Gebiets aufweist, wobei die Bipolarplattenanordnung des aktiven Gebiets ineinandergesetzte Bipolarplatten aufweist, die kathodenseitige Strömungskanäle und anodenseitige Strömungskanäle definieren, wobei die kathodenseitigen Strömungskanäle in dem inaktiven Gebiet in Fluidverbindung mit kathodenseitigen Strömungskanälen in dem aktiven Gebiet stehen und die anodenseitigen Strömungskanäle in dem inaktiven Gebiet in Fluidverbindung mit anodenseitigen Strömungskanälen in dem aktiven Gebiet stehen. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei die ineinandergesetzten Bipolarplatten geprägte Platten sind. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei die Anoden- und Kathodenströmungskanäle in dem inaktiven Gebiet etwa die gleiche Größe wie die Anoden- und Kathodenströmungskanäle in dem aktiven Gebiet aufweisen. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei die nicht ineinandergesetzten Bipolarplatten auch Kühlmittelströmungskanäle definieren, und die ineinandergesetzten Bipolarplatten auch Kühlmittelströmungskanäle definieren, wobei die Kühlmittelströmungskanäle in dem inaktiven Gebiet in Fluidverbindung mit den Kühlmittelströmungskanälen in dem aktiven Gebiet stehen. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei die Kühlmittelströmungskanäle in dem inaktiven Gebiet etwa die doppelte Größe wie die Kühlmittelströmungskanäle in dem aktiven Gebiet aufweisen. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, ferner mit einer Unterlage, die benachbart der Membran zum Stützen der Membrane positioniert ist. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei die Brennstoffzelle Teil eines Brennstoffzellenstapels an einem Fahrzeug ist. Brennstoffzelle mit:

einem inaktiven Zufuhrgebiet, das eine Membran und eine Bipolarplattenanordnung des inaktiven Gebiets aufweist, wobei die Bipolarplattenanordnung des inaktiven Gebietes nicht ineinandergesetzte geprägte Bipolarplatten aufweist, die kathodenseitige Strömungskanäle, anodenseitige Strömungskanäle und Kühlmittelströmungskanäle definieren, und wobei das inaktive Gebiet keine Diffusionsmediumschichten aufweist; und

einem aktiven Gebiet, das eine Bipolarplattenanordnung des aktiven Gebiets aufweist, wobei die Bipolarplattenanordnung des aktiven Gebiets ineinandergesetzte geprägte Bipolarplatten aufweist, die kathodenseitige Strömungskanäle, anodenseitige Strömungskanäle und Kühlmittelströmungskanäle definieren, wobei die kathodenseitigen Strömungskanäle in dem inaktiven Gebiet in Fluidverbindung mit kathodenseitigen Strömungskanälen in dem aktiven Gebiet stehen, die anodenseitigen Strömungskanäle in dem inaktiven Gebiet in Fluidverbindung mit den anodenseitigen Strömungskanälen in dem aktiven Gebiet stehen und die Kühlmittelströmungskanäle in dem inaktiven Gebiet in Fluidverbindung mit den Kühlmittelströmungskanälen in dem aktiven Gebiet stehen, und wobei die Kühlmittelströmungskanäle in dem inaktiven Gebiet etwa die doppelte Größe wie die Kühlmittelströmungskanäle in dem aktiven Gebiet aufweisen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, ferner mit einer Unterlage, die benachbart der Membran zum Stützen der Membrane positioniert ist. Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei die Brennstoffzelle Teil eines Brennstoffzellenstapels an einem Fahrzeug ist.






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