DE102007051817A1

DE102007051817A1 - Dichtung mit umgelegtem Rand für kostengünstigere Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102007051817A1
Application number: DE102007051817A
Authority: DE
Inventors: Steven G. Goebel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-11-03
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2008-05-21
Also published as: US20080107944A1

Abstract

Eine Technik zum Abdichten der Ränder von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel, die das Umlegen des Rands von Bipolarplatten verwendet. Denn diese Bipolarplatten umfassen sowohl eine anodenseitige Unipolarplatte als auch eine kathodenseitige Unipolarplatte, wobei einer oder beide der Ränder der Unipolarplatten umgelegt werden können. Die Umlegungen können zum Aufnehmen eines Tunnels zwischen einem Strömungssammelrohr und Strömungskanälen in dem aktiven Bereich vorgesehen sein, wobei die Anoden-Unipolarplatte üblicherweise für die Anodenströmungssammelrohre umgelegt ist und die Kathoden-Unipolarplatte üblicherweise für die Kathodenströmungssammelrohre umgelegt ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Abdichttechnik für einen Brennstoffzellenstapel und insbesondere eine Abdichttechnik für einen Brennstoffzellenstapel, die das Umlegen der Ränder der Bipolarplatten zwischen den Brennstoffzellen umfasst.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Wasserstoff ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum effizienten Erzeugen von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespaltet, um freie Wasserstoffprotonen und -elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen bewegen sich durch den Elektrolyt zur Kathode Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht den Elektrolyt passieren und werden daher zum Erbringen von Arbeit durch eine Last geleitet, bevor sie zur Kathode zurückgeschickt werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind eine gängige Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymerelektrolytmembran, beispielsweise eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anode und Kathode umfassen herkömmlicherweise fein getrennte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die von Kohlenstoffpartikeln getragen werden und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination aus der katalytischen Mischung der Anode, der katalytischen Mischung der Kathode und der Membran bildet eine Membranelektrodeneinheit (MEA, vom engl. Membrane Electrode Assembly). MEAs sind in der Herstellung verhältnismäßig teuer und erfordern für effektiven Betrieb bestimmte Bedingungen.
In einem Brennstoffzellenstapel werden zum Erzeugen der Sollleistung herkömmlicherweise mehrere Brennstoffzellen kombiniert. Zum Beispiel kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsgas, herkömmlicherweise einen mittels eines Verdichters durch den Stapel getriebenen Luftstrom. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff verbraucht, und ein Teil der Luft wird als Kathodenabgas ausgestoßen, das Wasser als Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel erhält auch ein Anoden-Wasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel enthält eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für angrenzende Brennstoffzellen im Stapel. An der Anodenseite der Bipo larplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die das Reaktionsgas der Anode zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Kathodengasströmungskanäle sind an der Kathodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die das Kathodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Eine Endplatte umfasst Anodengasströmungskanäle, und die andere Endplatte umfasst Kathodengasströmungskanäle. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Werkstoff, beispielsweise Edelstahl, oder einem leitenden Verbundstoff. Die Endplatten leiten den durch die Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten umfassen ebenfalls Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Auf dem Gebiet sind verschiedene Verfahren zum Herstellen der Bipolarplatten bekannt. Bei einer Auslegung bestehen die Bipolarplatten aus einem Verbundwerkstoff, beispielsweise Graphit, wobei zwei Plattenhälften getrennt geformt und dann zusammengeklebt werden, so dass an einer Seite einer der Plattenhälften Anodenströmungskanäle vorgesehen werden, an einer gegenüberliegenden Seite der anderen Plattenhälfte Kathodenströmungskanäle vorgesehen werden und zwischen den Plattenhälften Kühlfluidströmungskanäle vorgesehen werden. Bei einer anderen Auslegung werden zwei getrennte Plattenhälfte gestanzt und dann miteinander verschweißt, so dass an einer Seite einer der Plattenhälften Anodenströmungskanäle vorgesehen werden, an einer gegenüberliegenden Seite der anderen Plattenhälfte Kathodenströmungskanäle vorgesehen werden und zwischen den Plattenhälften Kühlfluidströmungskanäle vorgesehen werden.
Wie auf dem Gebiet bekannt ist, müssen die Membranen in einer Brennstoffzelle eine gewisse relative Luftfeuchtigkeit aufweisen, damit der Innenwiderstand über der Membran zum effektiven Leiten von Protonen niedrig genug ist. Während des Betriebs der Brennstoffzelle können Feuchtigkeit von den MEAs und externe Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eindringen. Bei niedrigen Zellenleistungsforderungen, herkömmlicherweise unter 0,2 A/cm², kann sich das Wasser in den Strömungskanälen sammeln, da die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases zu gering ist, um das Wasser aus den Kanälen heraus zu drücken. Wenn sich das Wasser sammelt, bildet es Tropfen, die sich aufgrund der verhältnismäßig hydrophoben Natur des Plattenmaterials weiter ausdehnen. Die Tropfen bilden sich in den Strömungskanälen im Wesentlichen senkrecht zur Strömung des Reaktionsgases. Wenn die Größe der Tropfen zunimmt, wird der Strömungskanal verschlossen, und das Reaktionsgas wird zu anderen Strömungskanälen umgeleitet, da die Kanäle zwischen gemeinsamen Ansaug- und Abgaskrümmern parallel sind. Da das Reaktionsgas nicht durch einen Kanal strömen kann, der durch Wasser abgesperrt ist, kann das Reaktionsgas nicht das Wasser aus dem Kanal heraus drücken. Diejenigen Bereiche der Membran, die infolge des Absperrens des Kanals kein Reaktionsgas erhalten, erzeugen keinen elektrischen Strom, was somit zu einer nicht homogenen Verteilung elektrischen Stroms führt und den Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle mindert. Wenn immer mehr Strömungskanäle durch Wasser versperrt werden, wird der von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Strom weniger, wobei ein Spannungspotential der Zelle unter 200 mV als Zellenausfall betrachtet wird. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, fällt eventuell der gesamte Brennstoffzellenstapel aus, wenn eine der Brennstoffzellen ausfällt.
Ein Brennstoffzellenstapel umfasst herkömmlicherweise eine Dichtung, die sich um den aktiven Bereich der Brennstoffzellen zwischen den Stapel-Verteilerrohren und dem aktiven Bereich für jede Brennstoffzelle erstreckt, um ein Austreten von Gas aus dem Stapel zu verhindern. Um daher den Kathodenstrom, den Anodenstrom und den Kühlfluidstrom von dem jeweiligen Eingangssammelrohr in den aktiven Bereich der Brennstoffzelle zu erhalten, ist es daher erforderlich, dass sich die Strömungskanäle durch den Dichtungsbereich erstrecken, ohne die Unversehrtheit der Dichtung zu beeinträchtigen. Herkömmlicherweise sind Löcher oder Tunnel durch die Bipolarplatte um die Dichtungen vorgesehen, was eine Biegung der Strömungskanäle erfordert, damit sie sich mit den Strömungskanälen in dem aktiven Bereich ausrichten. Diese Biegung der Kathoden- und Anodenströmungskanäle sah einen Bereich vor, in dem sich Wasser sammeln und Wasser zurückgehalten werden konnte, was den Strömungskanal zu verschließen und die Strömung von Reaktionsgas dorthin zu verringern pflegte. Daher ist ein besseres Verfahren zum Durchströmen des Dichtungsbereichs des Brennstoffzellenstapels erforderlich.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung wird eine Technik zum Abdichten der Ränder von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel offenbart, das das Umlegen des Rands von Bipolarplatten einsetzt. In einer Ausführungsform umfassen die Bipolarplatten eine anodenseitige Unipolarplatte und eine kathodenseitige Unipolarplatte, wobei die anodenseitige Unipolarplatte Anodenströmungskanäle ausbildet und die kathodenseitige Unipolarplatte Kathodenströmungskanäle ausbildet. Zwischen den Unipolarplatten sind Kühlfluidströmungskanäle vorgesehen. Abhängig davon, ob sich die Dichtung an eines Rands des aktiven Bereichs der Brennstoffzelle oder zwischen einem Reaktionsgassammelrohr oder einem Kühlfluidsammelrohr und dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle befindet, können verschiedene Auslegungen zum Umlegen des Rands der Unipolarplatten genutzt werden, um die Dichtung vorzusehen. Bei einer Auslegung werden beide Unipolarplatten-Ränder umgelegt. Bei einer anderen Auslegung wird nur eine der Unipolarplatten umgelegt. Ferner kann eine der Unipolarplatten in einer Ausgestaltung mit doppelter Umlegung umgelegt werden. Ferner können die Umlegungen vorgesehen werden, um einen Tunnel zwischen einem Sammelrohr und Strömungskanälen in dem aktiven Bereich aufzunehmen. In einer anderen Ausführungsform ist die Bipolarplatte eine einzelne Platte, die keine Kühlfluidströmungskanäle umfasst. Für den umgelegten Rand der einplattigen Bipolarplatte können in gleicher oder ähnlicher Weise verschiedene Auslegungen vorgesehen werden.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, der gestanzte Bipolarplatten mit Dichtungen mit umgelegten Rändern umfasst;
2 ist eine Draufsicht auf eine Kathodenplatte für den in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel;
3 ist eine Draufsicht auf eine Anodenplatte für den in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel;
4(a)–4(d) sind Draufsichten auf eine Bipolarplatte für den in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel, die ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Umlegen der Ränder der Platte zum Vorsehen einer Dichtung für eine gewellte Platte zeigen;
5 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 5-5, wobei sowohl die Anoden- als auch die Kathodenplatte umgelegte Ränder aufweisen,
6 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 5-5, wobei die Anodenströmungsplatte einen umgelegten Rand aufweist;
7 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 5-5, wobei sowohl die Anodenströmungsplatte als auch die Kathodenströmungsplatte umgelegte Ränder aufweisen und wobei die Kathodenplatte eine zweite Umlegung und einen verlängerten Abschnitt umfasst;
8 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 8-8, wobei sowohl die Anoden- als auch die Kathodenströmungsplatte umgelegte Ränder aufweisen;
9 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 9-9, wobei sowohl die Anoden- als auch die Kathodenströmungsplatte einen umgelegten Rand aufweisen;
10 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 10-10, wobei sowohl die Anoden- als auch die Kathodenströmungsplatte umgelegte Ränder aufweisen;
11 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 8-8, wobei die Kathodenströmungsplatte einen umgelegten Rand aufweist;
12 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 9-9, wobei die Anodenströmungsplatte einen umgelegten Rand aufweist;
13 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 10-10, wobei die Anodenströmungsplatte einen umgelegten Rand aufweist;
14 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur für eine gewellte Kathode nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 8-8, wobei die Kathodenströmungsplatte einen umgelegten Rand aufweist;
15 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur für eine gewellte Kathode nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 9-9, wobei die Anodenströmungsplatte einen umgelegten Rand aufweist;
16 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur für eine gewellte Kathode nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 10-10, wobei die Anodenströmungsplatte einen umgelegten Rand aufweist;
17 ist eine freigebrochene Draufsicht auf einen Teil des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, die eine Ecke zwischen einem Kathodensammelrohr und einem Kühlfluidsammelrohr abbildet;
18 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 17 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 18-18, wobei die Anoden- und Kathodenströmungsplatte einen umgelegten Rand aufweisen;
19 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und der umgebenden Brennstoffzellenstruktur nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform in dem in 17 gezeigten Brennstoffzellenstapel durch die Linie 18-18, wobei die Anoden- und Kathodenströmungsplatte einen umgelegten Rand aufweisen;
20 ist eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel, der eine Auslegung mit einzelner Bipolarplatte nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform nutzt;
21 ist eine Draufsicht auf einen Teil des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels, die eine Kathoden- und Anoden-Gasströmungsfeldanordnung nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung zeigt;
22 ist eine Draufsicht auf einen Teil des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels, die eine Kathoden- und Anoden-Gasströmungsfeldanordnung mit beseitigen Beeinträchtigungen nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
23 ist eine Draufsicht auf einen Teil des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels, die eine Kathoden- und Anoden- Gasströmungsfeldanordnung mit Stegen nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
24 ist eine Draufsicht auf einen Teil des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels, die eine Kathoden- und Anoden-Gasströmungsfeldanordnung mit willkürlicher Verzweigung nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
25 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 25-25 mit gefüllten Diffusionsmediumschichten nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
26 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 25-25 mit zwei Dichtungen nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
27 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 25-25 mit einem umgelegten Rand und einer gefüllten Diffusionsmediumschicht nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
28 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 25-25 mit einem um gelegten Rand nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
29 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 25-25 mit einem doppelt umgelegten Rand nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
30 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 30-30 mit gefüllten Diffusionsmediumschichten nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
31 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 30-30 mit Beilagscheiben und Dichtungen nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
32 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 30-30 mit einem umgelegten Rand und einer gefüllten Diffusionsmediumschicht nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
33 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 33-33 mit einem um gelegten Rand und einer gefüllten Diffusionsmediumschicht nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
34 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 30-30 mit einem umgelegten Rand und Beilagscheiben nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
35 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 33-33 mit einem umgelegten Rand und Beilagscheiben nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
36 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 33-33 mit einem umgelegten Rand und einer gefüllten Diffusionsmediumschicht nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
37 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 33-33 mit einem umgelegten Rand mit Löchern und Beilagscheiben nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
38 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 30-30 mit einem um gelegten Rand und einer dicken Beilagscheibe nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
39 ist eine freigebrochene Draufsicht auf einen Teil des in 20 gezeigten Brennstoffzellenstapels, die eine Ecke zwischen einem Kathodensammelrohr und einem Anodensammelrohr zeigt, nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
40 ist eine Querschnittansicht einer Bipolarplatte und einer umgebenden Brennstoffzellenstruktur des in 39 gezeigten Brennstoffzellenstapels durch die Linie 40-40 mit einem umgelegten Rand und einer dicken Beilagscheibe nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
41 ist eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel mit Wasserzerstäubung nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform; und
42 ist eine Querschnittansicht mehrerer Brennstoffzellen in dem in 41 gezeigten Brennstoffzellenstapel mit gestaffelten Dichtungen und Einsätzen nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Eingehende Beschreibung der Ausführungsformen
Die folgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Brennstoffzellenstapel gerichtet sind, der Bipolarplatten mit umgelegten Rändern zum Vorsehen einer Dichtung aufweist, ist lediglich bei spielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung oder Anwendungen oder Gebrauchsmöglichkeiten beschränken.
1 ist eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel 10 mit einem aktiven Bereich 12 des Stapels. Der Brennstoffzellenstapel 10 enthält Bipolarplatten mit anoden- und kathodenseitigen gestanzten Unipolarplatten. Um den aktiven Bereich 12 ist eine geeignete Dichtung 14 vorgesehen und kann erfindungsgemäß verschiedene Ausgestaltungen annehmen, wie nachstehend näher beschrieben wird. Die Eckenabdeckungen 16 und 18 sind an diagonalen Ecken des aktiven Bereichs 12 vorgesehen, um eine Abdichtung an den Ecken des aktiven Bereichs 12 vorzusehen. Kathodeneingangsluft strömt zu einem Kathodeneingangssammelrohr 30 durch ein Rohr 32, und ein Kathodenabgas wird von dem Stapel 10 durch ein Kathodenabgassammelrohr 34 und ein Rohr 36 ausgestoßen. Wasserstoffgas strömt in ein Anodeneingangssammelrohr 38 durch ein Rohr 40, und ein Anodenabgas wird von dem Stapel 10 durch ein Anodenabgassammelrohr 42 und ein Rohr 44 ausgestoßen. Das Kühlfluid des Stapels gelangt durch ein Kühlfluideingangssammelrohr 46 von einem Rohr 48 in den Stapel 10 und tritt durch ein Kühlfluidausgangssammelrohr 50 von einem Rohr 52 aus dem Stapel 10 aus. Die Sammelrohre 46 und 50 sind zur Seite des Stapels 12 und der Stapelendplatten hin abgedichtet und dichten die Ecken ab.
Erfindungsgemäß weisen die Ränder der Unipolarplatten eine Auslegung mit umgelegtem Rand auf, um eine elastische Reaktion zum Abdichten von Platte zu Membran und Platte zu Platte zu erzeugen. Die Hauptmotivation bei diesem Konzept ist – wie bei der dem Fachmann bekannten gestanzten Stoßnaht – die erhebliche Kosteneinsparung durch Verzicht auf Elastomerdichtungen bei jeder Brennstoffzelle. Die Auslegung mit umgelegtem Rand bietet durch den Verzicht auf das Laserschweißen und das Schlitzschneiden, die bei derzeitigen gestanzten Plattenauslegungen erforderlich sind, eine zusätzliche Kosteneinsparung. Diese Auslegung sieht gerade Durchgangstunnel vor, die die Wassersteuerung und das Starten bei Gefriertemperatur verbessern sollten, da das Sammeln von Wasser in den Tunneln bekannter gestanzter Plattenauslegungen beobachtet wurde. Bei hydrophil behandelten Tunneln muss die Beschichtung nicht innen aufgebracht werden, daher ist diese Auslegung für Beschichtungsprozesse von erreichbaren Flächen geeignet. Ein gerader Kathodenströmungsweg kann eine Plattenausbildung durch Wellung ermöglichen, um feinere Abstufungen und daher eine höhere elektrische Stromdichte zu erreichen. Die Stapelung kann mit Zellen erfolgen, die an der Kühlfluidschicht gespalten sind, da die Uni-Platten nicht verbunden werden müssen. Dies kann das Durchführen des Stapelns in einer Nichtreinraumanlage ermöglichen, da die weiche Ware (Membran und Diffusionsmedium) von den beiden Uni-Platten geschützt würde, wobei die Platten in der baugruppenartigen Anordnung enthalten sind. Die Auslegung mit umgelegtem Rand erfordert nicht die Verwendung von externen Sammelrohren und Klebfüllstoffen zum Verbinden der externen Sammelrohre mit den rauen Seiten des Stapels 10. Externe Sammelrohre sollten die zum Herstellen der Platten erforderliche Materialmenge senken und könnten das Einbinden einer Wasserdampfübertragungseinheit erleichtern.
Durch Umlegen der Ränder der Platten wird an jeder Ecke des aktiven Bereichs 12 eine Fuge gebildet. Diese Fugen erzeugen einen möglichen Leckweg, und die Richtung des Umlegens bestimmt, welches Fluid, Reaktionsgas oder Kühlfluid aus einer solchen Fuge entweichen könnte. Die Umlegungen erzeugen auch einen Umgehungskanal um den aktiven Bereich 12, daher ist bevorzugt, dass die Umlegungen das Kühlfluid enthalten. In die Umlegung könnte ein Filmmaterial zum Reduzieren der Umgehung eingesetzt sein. Bei einer Ausgestaltung bedecken die Kühlfluid sammelrohre 46 und 50 die Ecken, um die Fugen abzudichten und ein Austreten von Kühlfluid zu verhindern. Für die Ecken ohne ein Sammelrohr werden die Abdeckungen 16 und 18 zum Verhindern von Entweichen verwendet. Die oberen und unteren Oberflächen der Platten sind zum Abdichten zur Membran oder Unterdichtung hin glatt, und die Fuge zeigt sich nur dem Kühlfluid. Zum Minimieren der Anzahl an Fugen können die Sammelrohre mit einer rechteckigen Plattenanordnung ausgerichtet werden.
Bei den externen Sammelrohren 30, 34, 38, 42, 46 und 50 wird erwartet, dass ein verhältnismäßig dicker Auftrag von Dichtungsmittel oder Klebstoff, wie RTV, dort zum Abdichten verwendet werden kann, wobei die Flansche der externen Sammelrohre die verhältnismäßig unebenen Außenflächen des Stapels durchkreuzen. Die Flansche an den Kathodensammelrohren 30 und 34 sind innen an den Seiten, um eine im Allgemeinen flache Abdichtfläche für die Kühlfluid-Sammelrohrflansche und die Abdeckungen 16 und 18 zu erzeugen. Innenflansche an allen Sammelrohren 30, 34, 38, 42, 46 und 60 können bevorzugt sein, um die Sammelrohrfläche pro Grundfläche zu maximieren.
Die Auswahl von Sammelrohrposition und Seitenverhältnis der Platte beeinflussen die Strömungsverteilung und den Druckabfall. Die „Z"-Anordnung, bei der sich die Anoden- und Kühlfluid-Sammelrohre 38, 42, 46 und 50 in der gleichen Seite befinden, wie in 1 gezeigt wird, hat, wie sich in CFD-Beurteilungen gezeigt hat, eine bessere Verteilung von Kühlfluid als eine Anordnung mit gleichgerichteter Strömung, wobei sich Anoden- und Kühlfluid-Sammelrohre 38, 42, 46 und 50 an gegenüberliegenden Seiten befinden, da die Querströmungskanäle von Ende zu Ende besser ausgewogen sind. Bei einer Anordnung mit verschachtelten Plattenauslegung mit inhärent höheren Kühlfluiddruckabfällen des aktiven Bereichs und nicht aktiven Zufuhrbereichen mit Spalten wäre die Kühlfluidverteilung weniger empfindlich gegenüber Zufuhrbereichkanalmustern. Zum Minimieren der Größe des nicht aktiven Zufuhrbereichs könnten die Anoden- und Kühlfluid-Strömungskanäle größere Verzweigungsverhältnisse aufweisen, was Anoden- und Kühlfluid-Druckabfälle steigern könnte. Ein schmäleres Platten-Seitenverhältnis würde auch den Anteil der Zufuhrregion verringern, würde aber alle Druckabfälle von aktiven Bereichen steigern. Die Größen der Sammelrohre und Dichtungen müssten ebenfalls bei den Auslegungsbeurteilungen, die Stapelgröße und Druckabfall prüfen, berücksichtigt werden.
2 ist eine Draufsicht auf eine kathodenseitige Unipolarplatte 60 nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in einem nicht umgelegten Zustand für den Brennstoffzellenstapel 10, die Stellen für Umlegungen 62 an jedem Ende anzeigt. Eine Mikrodichtung 64 ist um einen Umfang der Platte 60 ausgebildet. Die Kathodenströmungskanäle wären in einem mittleren Bereich 66 verschachtelt, wobei die Zufuhrbereiche 68 und 70 an jedem Ende vorgesehen sind.
3 ist eine Draufsicht auf eine anodenseitige Unipolarplatte 72 nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in einem nicht umgelegten Zustand für den Brennstoffzellenstapel 10, die Stellen für umgelegte Ränder 74 an jeder Seite zeigt. Eine Mikrodichtung 76 ist um den Rand der Platte 72 ausgebildet. Die Anodenströmungskanäle 78 sind an Enden der Platte 72 vorgesehen, und Kühlfluid-Tunnel 80 und 82 würden unter der Platte 72 verlaufen.
Die geraden Kathodenströmungskanäle können das Ausbilden der Platte durch Wellung ermöglichen, um feinere Abstufungen und daher eine höhere elektrische Stromdichte zu erreichen. In diesem Fall könnten keine Schlängelungen verwendet werden, sondern eine sehr feine Abstufung, die Kanalspannen können kurz genug sein, um ein Zuschneiden der Diffusionsmediumschicht zu verhindern, so dass Schlängelungen nicht erforderlich sind. Dieses Ausbildungsverfahren würde auch das gewellte Muster über der nach unten umzulegenden Abdichtfläche erzeugen. Dieses Muster könnte bei Bedarf durch Verwenden von Rollen zunehmender Stufen aus diesem Bereich entfernt werden. Das Umlegen des wieder glatten Plattenrands würde anschließend die Randdichtung bilden.
Ein solcher Vorgang wird in 4(a)–4(d) veranschaulicht, die die erfindungsgemäßen Ausbildungsschritte einer gewellten Platte zeigen. In 4(a) wird insbesondere eine gewellte Unipolarplatte 90 mit geraden Strömungskanälen 92 gezeigt, die sich von Ende zu Ende der Platte 90 erstrecken. Die Wellung wird dann von den Enden 94 der Platte 90 entfernt, um eine glatte Endfläche vorzusehen, so dass überschüssiges Material wie in 4(b) gezeigt herausfließen kann. Dann wird die Platte 92 zugeschnitten, wie in 4(c) gezeigt wird, um zum Vermeiden einer wechselseitigen Störung durch die Umlegungen eine angeschrägte geschnittene Ecke 96 vorzusehen. Die Enden 94 werden dann nach unten umgelegt, um unter den Tunnel eine Dichtung vorzusehen, wie in 4(d) gezeigt wird.
Die Rohre 32, 36, 40, 44, 48, 52 werden wie in herkömmlichen Stapeln senkrecht zu den Zellen von dem „nassen" Ende gezeigt. Bei Verwendung von externen Sammelrohren sind andere Installationsausrichtungen möglich. Es könnte eine Zufuhr- und Ablassausrichtung parallel zu den Zellen verwendet werden. Eine solche parallele Ausgestaltung könnte die Fehlverteilung von Strömungen von Zelle zu Zelle minimieren, da die Ausrichtung des von proximal zu distal verlaufenden Endes des Sammelrohrs, über dem Druckschwankungen auftreten können, entlang der Zelle und nicht quer über mehrere Zellen vorliegt. Somit ist bei der parallelen Aus gestaltung das Auftreten von Fehlverteilungen in einer Zelle wahrscheinlicher. Während eine gleichmäßige Strömung zu allen Zellen und in jeder Zelle aufgrund der Reihenauslegung des Stapels 10 erwünscht ist, ist das Erreichen derselben Strömung zu allen Zellen kritischer. Externe Sammelrohre würden auch die Integration einer Wasserdampfübertragungseinheit erleichtern.
Der aktive Bereich 12 ist von einer Eingrenzung umgeben, die aus Rändern und Tunneln besteht. An den Rändern muss zwischen einer Platte oder deren funktioneller Verlängerung und der Membran oder deren funktioneller Verlängerung an beiden Seiten eine Dichtung ausgebildet sein. An den Tunneln muss nur eine Seite der Membran zur Platte abdichten, während die andere Seite offen ist, um Reaktionsgas von dem jeweiligen Sammelrohr zur erwünschten Seite der Membran strömen zu lassen. Zum Verwirklichen von Abdichtung muss eine glatte durchgehende Oberfläche an beiden Seiten vorgesehen werden. Diese Oberflächen müssen auch eine Druckbelastung zum Abdichten tragen, während sie ebenfalls Nachgiebigkeit zum Absorbieren von Dickenschwankungen vorsehen. Man meint, dass umgelegte Plattenränder die erforderliche Dicke in diesen Bereichen erreichen und die Abdichtnachgiebigkeit bieten.
Es könnten Beilagscheiben zum Vorsehen einer glatten Fläche und Tragen von Dichtlasten über Tunneln verwendet werden. Der Abschluss einer Beilagscheibe erzeugt aber eine Stufe. Hat man eine durchgehende Beilagscheibe um den Umfang des aktiven Bereichs 12, beseitigt dies die Stufe, erfordert aber ein großes zusätzliches Teil. Diese Funktionalität könnte durch Verwenden einer dicken Unterdichtung verwirklicht werden. Zum Verhindern eines Kontakts zwischen Ionomer und Platte können zwei Unterdichtungen erforderlich sein, sofern nicht reduzierte Membrane verwendet werden. Eine dieser Unterdichtungen könnte dicker sein, um als Beilagscheibe über Tunneln zu dienen. Das Fenster dieser dickeren Unterdichtung könnte größer als die Diffusionsmediumschicht sein, um eine übermäßige Kompression zu verhindern, zu der es kommen könnte, wenn sich die dicke Unterdichtung unter der Diffusionsmediumschicht befindet, was herkömmlicherweise bei Unterdichtungen der Fall ist. Die dünnere Unterdichtung könnte unter der Diffusionsmediumschicht enden, um die Elektrodenüberlappung festzulegen.
5 ist eine Querschnittansicht durch die Linie 5-5 einer Bipolarplatte 102 und die umgebende Brennstoffzellenstruktur 100 in dem Brennstoffzellenstapel 10. Die Bipolarplatte 102 umfasst eine kathodenseitige Unipolarströmungsplatte 104 aus gestanztem Metall und eine anodenseitige Unipolarströmungsplatte 106 aus gestanztem Metall. Das Metall ist herkömmlicherweise Edelstahl. Eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 108 ist angrenzend an die kathodenseitige Platte 104 vorgesehen, und eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 110 ist angrenzend an die anodenseitige Platte 106 vorgesehen. Eine Zellenmembran 112 für eine Brennstoffzelle ist angrenzend an die Diffusionsmediumschicht 108 gegenüber der Platte 104 angeordnet, und eine Zellenmembran 114 für eine andere Brennstoffzelle ist angrenzend an die Diffusionsmediumschicht 110 und gegenüber der anodenseitigen Strömungsplatte 106 vorgesehen. Kathodenströmungskanäle 116 sind durch die kathodenseitige Platte 104 vorgesehen, und Anodenströmungskanäle 118 sind durch die anodenseitige Platte 106 vorgesehen. Zwischen den Platten 104 und 106 sind Kühlfluidströmungskanäle 120 vorgesehen.
Erfindungsgemäß umfasst in dieser Ausführungsform die Kathodenplatte 104 einen umgelegten Endteil 124, und die Anodenströmungsplatte 106 umfasst einen umgelegten Endteil 126, die die Dichtung an dem Abdichtbereich 14 bilden. Bei dieser Auslegung können die Tunnel für die Strö mungskanäle durch Platte 104 oder 106 gebildet werden. Der Raum für die umgelegten Teile 124 und 126 ist aber beschränkt, insbesondere für einen aktiven Bereich mit verschachtelten Kanälen. An gegenüberliegenden Seiten der Membran 112 sind an dem Abdichtbereich 14 Beilagscheiben 128 und 130 vorgesehen, und an gegenüberliegenden Seiten der Membran 114 sind an dem Abdichtbereich 14 Beilagscheiben 132 und 134 zum Vervollständigen der Zellendicke vorgesehen.
6 ist eine Querschnittansicht einer Brennstoffzellenstruktur 140 für eine andere Dichtungsauslegung an dem Abdichtbereich 14 durch die Linie 5-5 des Stapels 10 nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei gleiche Elemente wie in Struktur 100 durch das gleiche Bezugszeichen kenntlich gemacht sind. Bei dieser Auslegung umfasst die Kathodenplatte 104 nicht den umgelegten Endteil 124. Die Anodenströmungsplatte 106 umfasst aber einen größeren umgelegten Endteil 142, der die Dichtung vorsieht und mehr Raum für die Umlegung bietet. In einer anderen Ausführungsform könnte die Kathodenplatte 104 umgelegt sein und die Anodenplatte könnte an dem Abdichtbereich 14 gerade sein.
Zum Aufnehmen von Zellenspannungslaschen, Kurzschließstreifen von Zelle zu Zelle und Ausrichtungsstifte können die Plattenränder vergrößert werden. Dies ist bei der Ausgestaltung der Brennstoffzellenstruktur 140 mit umgelegtem Rand kein Thema, da der nicht umgelegte Plattenrand vergrößert werden kann, um diese Merkmale aufzunehmen. Wenn beide Ränder umgelegt sind, könnte eine Platte ein zweites Mal umgelegt werden, um eine Vergrößerung dieser Platte zum Aufnehmen dieser Merkmale zu ermöglichen. Diese Ausgestaltung bietet aber noch weniger Raum für die Umlegungen. Die zusätzlichen Umlegungen könnten auch für das Absperren der Kühlfluidumgehung brauchbar sein. Ansonsten könnte ein Schaumstoffeinsatz oder eine Schaumstofffüllung vorgesehen werden.
Zum Veranschaulichen dieser Auslegung ist 7 eine Querschnittansicht einer Brennstoffzellenstruktur 172 durch die Linie 5-5 nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei gleiche Elemente wie bei der Brennstoffzellenstruktur 100 durch das gleiche Bezugszeichen kenntlich gemacht sind. In dieser Ausführungsform umfasst die Kathodenplatte 104 einen zweiten umgelegten Bereich 174 und eine erweiterte Platte 176, die die Lasche vorsieht.
Das an den Rändern verwendete Abdichtverfahren muss mit der Ausgestaltung an den Tunneln vereinbar sein. Dies bietet beschränkten Raum für die Umlegungen und Tunnel. Die Umlegungen an jeder Platte 104 und 106 verlaufen weiter zu den Ecken, die von den Kühlfluidsammelrohren 46 und 50 bedeckt sind. Die Ausgestaltung für nur einen umgelegten Plattenrand ist im Allgemeinen bevorzugt, da sie mehr Raum für die Umlegungen und Tunnel vorsieht. Dies erfordert auch weniger Plattenumlegungen. Für das Unterstützen des Tunnels ist die Verwendung einer dicken Unterdichtung im Allgemeinen bevorzugt. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass über dem Zufuhrbereich einer verschachtelten Plattenausgestaltung eine Unterstützung der Membran ohne Verwendung einer zusätzlichen Beilagscheibe vorgesehen wird.
Es können Tunnelausgestaltungen vorgesehen werden, bei denen beide Strömungsplatten 104 und 106 umgelegt sind, was für die Umlegungen und Tunnel beschränkten Raum vorsieht. 8 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 100 durch Linie 8-8 in 1, die sowohl die Kathodenströmungsplatte 104 als auch die Anodenströmungsplatte 106 mit den umgelegten Randteilen 124 bzw. 126 zeigt und den Tunnel für die Kathodenströmungskanäle 116 durch den Abdichtbereich 14 zu dem Kathodenausgangssammelrohr 34 zeigt.
9 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 100 durch die Linie 9-9 in 1, die sowohl die Kathodenströmungsplatte 104 als auch die Anodenströmungsplatte 106 mit den umgelegten Randteilen 124 bzw. 126 zeigt und den Tunnel für die Anodenströmungskanäle 118 durch den Abdichtbereich 14 zu dem Anodenausgangssammelrohr 42 zeigt.
10 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 100 durch die Linie 10-10 in 1, die sowohl die Kathodenströmungsplatte 104 als auch die Anodenströmungsplatte 106 mit den umgelegten Randteilen 124 bzw. 126 zeigt und den Tunnel durch den Abdichtbereich 14 für die Kühlfluidströmungskanäle zu dem Kühlfluideingangssammelrohr 46 zeigt.
Es können Tunnelausgestaltungen vorgesehen werden, bei denen nur eine der Strömungsplatten 104 und 106 umgelegt ist, was mehr Raum für die Umlegungen und Tunnel vorsieht. Die Anodenplatte 106 ist an den Plattenrändern mit den Anodensammelrohren 38 und 42 umgelegt. Die Kathodenplatte 104 ist an den Plattenrändern mit den Kathodensammelrohren 30 und 34 umgelegt. 11 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 140 durch die Linie 8-8 in 1, die die Kathodenströmungsplatte 104 mit einem umgelegten Randteil 144 zeigt, wobei die Anodenströmungsplatte 106 gerade ist, und den Tunnel für die Kathodenströmungskanäle 116 durch den Abdichtbereich 14 zu dem Kathodenausgangssammelrohr 34 zeigt.
12 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 140 durch die Linie 9-9 in 1, die die Anodenströmungsplatte 106 mit dem umgelegten Randteil 142 zeigt, wobei die Kathodenströmungsplatte 104 gerade ist, und den Tunnel für die Anodenströmungskanäle 118 durch den Abdichtbereich 14 zu dem Anodenausgangssammelrohr 42 zeigt.
13 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 140 durch die Linie 10-10 in 1, die die Anodenströmungsplatte 106 mit dem umgelegten Randteil 142 zeigt, wobei die Kathodenströmungsplatte 104 gerade ist, und den Tunnel für die Kühlfluidströmungskanäle 120 durch den Abdichtbereich 14 zu dem Kühlfluideingangssammelrohr 46 zeigt.
Durch eine Brennstoffzellenstruktur 150 in 14–16 werden Tunnelausgestaltungen für eine durch Wellung gebildete Kathodenplatte nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt, wobei gleiche Elemente durch das gleiche Bezugszeichen kenntlich gemacht werden. 14 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 150 durch die Linie 8-8 in 1, die die Kathodenströmungsplatte 104 mit einem umgelegten Randteil 152 zeigt, wobei die Anodenströmungsplatte 106 gerade ist, und die den Tunnel für die Kathodenströmungskanäle 116 durch den Abdichtbereich 14 zu dem Kathodenausgangssammelrohr 34 zeigt.
15 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 150 durch die Linie 9-9 in 1, die die Anodenströmungsplatte 106 mit einem umgelegten Randteil 154 zeigt, wobei die Kathodenströmungsplatte 104 gerade ist, und die den Tunnel für die Anodenströmungskanäle 118 durch den Abdichtbereich 14 zu dem Anodenausgangssammelrohr 42 zeigt.
16 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 150 durch die Linie 10-10 in 1, die die Anodenströmungsplatte 106 mit dem umgelegten Randteil 154 zeigt, wobei die Kathodenströmungsplatte 104 gerade ist, und die den Tunnel für die Kühlfluidströmungskanäle 120 durch den Abdichtbereich 14 zu dem Kühlfluideingangssammelrohr 46 zeigt.
Für das Kathodenplattenwellungsverfahren hat die Kathodenoberfläche keine Stufe. Die Notwendigkeit einer Stufe ist allein der Ausgestaltung mit verschachtelten Platten ohne die Diffusionsmediumschichten in dem Zuführbereich zueigen, was für volumetrische Leistungsdichte bevorzugt ist. In den Brennstoffzellenstrukturen 100 und 140 wurde diese Stufe zwischen den Anoden- und Kathodenplatten 104 und 106 aufgeteilt. Bei der gewellten Kathodenplatte kann diese Stufe nicht durch den Wellungsvorgang ausgeglichen werden, so dass die gesamte Stufenhöhe in der Anodenplatte 106 auftaucht. Zu beachten ist, dass die Tunnelschnittansichten zur Veranschaulichung dieses Merkmals entlang eines Kanals vorliegen.
17 ist eine Draufsicht auf einen Eckenteil des Brennstoffzellenstapels 10, an dem sich das Kühlfluideingangssammelrohr 46 und das Kathodeneingangssammelrohr 30 treffen. Es werden Kühlfluidströmungstunnel 160 durch den Abdichtbereich 14 angrenzend an das Kühlfluideingangssammelrohr 46 gezeigt, und Kathodeneingangsströmungstunnel 162 werden durch den Abdichtbereich 14 angrenzend an das Kathodeneingangssammelrohr 30 gezeigt.
18 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 100 durch die Linie 18-18 in 17, wobei sowohl die Kathodenströmungsplatte 104 als auch die Anodenströmungsplatte 106 umgelegte Randteile 164 bzw. 166 an dem Abdichtbereich 14 umfassen.
19 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 140 durch die Linie 18-18 in 17, wobei die Kathodenströmungsplatte 104 einen umgelegten Randteil 168 umfasst und die Anodenströmungsplatte 106 einen umgelegten Randteil 170 umfasst.
Es wurde auf dem Gebiet vorgeschlagen, eine Bipolarplattenauslegung zu verwenden, die aus einem Blech, beispielsweise Edelstahl, einer einzigen Dicke gestanzt wird und die Kathodenströmungskanäle und die Anodenströmungskanäle vorsieht, insbesondere für Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, bei denen Kühlung nicht erforderlich ist. U.S. Patent Nr. 6 960 404 , erteilt am 1. November 2005 für Goebel, abgetreten an die Anmelderin dieser Anmeldung und durch Erwähnung hierin aufgenommen, offenbart Verdunstungskühlung einer PEM-Brennstoffzelle, so dass ein gestanztes Blech in einer einzigen Dicke für eine Bipolarplatte verwendet werden könnte.
20 ist eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel 182 nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer charakteristischen Auslegung eines Stapels, die solche Bipolarplatten enthält. Der Stapel 182 umfasst einen aktiven Bereich 184 mit einem Umfangsrand-Abdichtbereich 186. Kathodeneinlassluft wird in ein Kathodeneingangssammelrohr 188 durch ein Rohr 190 eingeleitet und tritt durch ein Kathodenabgassammelrohr 192 und ein Rohr 194 aus dem Stapel 182 aus. Wasserstoffgas wird in duale Anodeneingangssammelrohre 196 und 198 durch Rohre 200 bzw. 202 eingeleitet, und das Anodenabgas wird durch duale Anodenabgassammelrohre 204 und 206 und Rohre 208 bzw. 210 aus dem Stapel 182 ausgestoßen. Der Stapel 182 wird durch Verdunstungskühlung gekühlt und nutzt Tropfrohre 212 und ein Ablaufrohr 214. Durch Verwenden von Verdunstungskühlung wird die Erfordernis von Kühlfluiddurchlässen getrennt von dem Reaktionsgasstrom zwischen den Unipolarplatten elimi niert. Die Motivation für dieses Konzept ist die Kosteneinsparung, die mit nur einem einzigen Metallblech und Verzicht auf die Plattenverbindungsvorgänge geboten wird. Zusätzliche für ein Verdunstungskühlsystem erforderliche Komponenten, die nicht gezeigt sind, umfassen einen Kondensator und einen Abscheider oder eine Wasserzufuhr, Pumpen und einen Filter.
Das Verdunstungskühlwasser wird in das Kathodeneingangssammelrohr 188 eingeleitet und benetzt die Kathodenseite der Bipolarplatten. Die Platten weisen eine hydrophile Beschichtung auf, um ein Aufnehmen von Wasser in die, über die und entlang der Platte sicherzustellen. Bei visuellen Beobachtungen des Plattenbenetzens scheint sich Wasser mit etwa 2 cm/s mit einer mittleren Filmdicke von etwa 20 μm basierend darauf zu bewegen, wie weit sich eine dosierte Wassermenge verteilt. Diese Wasserbewegung würde eine Wasserzufuhrrate von etwa 4 μL/s/cm² vorsehen. Die Verdunstungswärme des Wassers bei 2,4 J/mg liegt bei etwa 9,6 W/cm², was weit über der Wärmeabfuhr voller Leistung aus dem Stapel 182 von etwa 0,94 W/cm² liegt. Die gesamte Wasserströmanforderung bei voller Stapelleistung (103 kW Wärme) beträgt etwa 43 g/s. Eigens auf das Beurteilen von Wasserausbreitungsraten und die Auswirkung der Benetzungsentfernung gerichtete Tests können zum Beurteilen der Machbarkeit verwendet werden und sind für die Ausgestaltung dieses Konzepts ausschlaggebend. Überschüssiges Verdunstungskühlwasser wird aus dem Kathodenausgangssammelrohr 192 entnommen.
Mit nur einem einzigen Blech für die Bipolarplatten ist es schwierig, die erforderliche Dicke für Sammelrohrkreisläufe zum Abdichten ohne Zuhilfenahme teuerer Elastomerdichtungen, um in diesen Bereichen Dicke vorzusehen, zu bilden. Daher werden externe Sammelrohre verwendet, die die zum Herstellen der Bipolarplatten erforderliche Materialmenge weiter senken. Aus der nachstehenden Erläuterung geht hervor, dass die Ecken einige einzigartige Fügeprobleme aufwerfen, die durch Anlegen eines der Sammelrohre über der Fuge gelöst werden können.
Der Stapel 182 umfasst eine Reihe von wünschenswerten Merkmalen, darunter zwei Sätze von Anodeneingangs- und Anodenausgangssammelrohren, Gegenstromanodengas, breites Seitenverhältnis, Zufuhr- und Auslassinstallationsrichtung, Anodensammelrohre über Ecken statt der Kathodensammelrohre, Verwendung von erwärmten Tropfrohren und hydrophilem Schaumstoff für das Einleiten und Entnehmen von Verdunstungskühlwasser.
Dort wo die Kathoden- und Anodenströmungsfelder ausgerichtet sind, bieten die Wellungen der gestanzten Platte unbeschränkte Strömungsdurchlässe für sowohl Anoden- als auch Kathodenströmungskanäle, beispielsweise Aufwärtswellungen, die Kathodenströmungskanäle vorsehen, und Abwärtswellungen, die Anodenströmungskanäle vorsehen. Wo aber die Reaktionsgase zu verschiedenen Sammelrohren auseinanderströmen müssen, verursachen die Sollströmungsrichtungen einen Konflikt, der bei Bedarf durch Verwenden von Kanälen halber Höhe gelöst wird. Diese Kanäle halber Höhe rufen einen vermehrten Druckabfall hervor. Zum Minimieren der Größe der Querströmungsbereiche werden die beiden Sätze der Anodeneingangs- und Anodenausgangssammelrohre 196, 198, 204 und 206 verwendet. Da sich die Anodeneingangs- und Anodenausgangssammelrohre 196, 198, 204 und 206 auf den gleichen Seiten der Bipolarplatte befinden, gibt es einen längeren Strömungsweg zu, entlang und von der Mittellinie der Bipolarplatte. Zum Ausgleichen der Strömungswege wird die Anzahl an Querströmungsfeldkanälen pro Längskanal angepasst. Eine Alternative wäre es, das gesamte Strömungsfeld und Querströmen mit dem Anodeneingangssammelrohr über einem Rand und dem Anodenaus gangssammelrohr über dem anderen Rand zu haben. Dies würde ein Strömungsfeld mit Unebenheit und Vertiefung und überall Kanäle effektiv halber Höhe vorsehen, was zu höheren Druckabfällen bei beiden Strömungsfeldern führen würde.
Die Anodenströmung erfolgt entgegengesetzt zur Kathodenströmung und wurde gewählt, um die aus den Anodenströmungskanälen austretende Wassermenge zu minimieren, die kleiner als beim herkömmlich gekühlten Stapel sein sollte, da der Temperaturgradient am Kathodeneingang viel größer, d.h. viel kälter, ist. Es wäre aber vernünftig, sowohl die Gegenströmungsausgestaltung als auch die Ausgestaltung mit gleichgerichteter Strömung zu beurteilen, und die Strömwege sind symmetrisch, um eine solche Beurteilung zu ermöglichen. Die Anodenseite der Bipolarplatten kann eine hydrophile Beschichtung haben, um die bekannten Vorteile vorzusehen, beispielsweise bessere Gleichmäßigkeit der Strömung ohne Schwallströmungen von Wasser.
Das breite Seitenverhältnis wurde gewählt, um die erforderlichen Benetzungsabstände und den Kathodedruckabfall zu minimieren. Benetzungstests und Auslegungsberechnungen können zum Ermitteln der zulässigen Maße und erwarteten Druckabfälle verwendet werden.
In einer Ausführungsform sind die Zufuhr- und Ablasskanäle von Anode und Kathode von dem „nassen" Ende senkrecht zu den Brennstoffzellen, wie es üblich ist. Diese Ausrichtung wurde gewählt, um die wechselseitige Beeinträchtigung mit den Sammelrohr-Abdichtflanschen zu minimieren. Bei Verwendung von externen Sammelrohren sind andere Installationsausrichtungen möglich, wie für den Fachmann nachvollziehbar ist. Es wird erwartet, dass die Stirnfläche der Kathodensammelrohre 188 und 192 in etwa quadratisch sein würde, daher gibt es keine bevorzugte Rich tung. Es kann eine Zufuhr- und Ablassausrichtung parallel zu den Brennstoffzellen verwendet werden. Eine solche parallele Ausgestaltung könnte eine Fehlverteilung von Zelle zu Zelle minimieren, da die Ausrichtung des Endes des Sammelrohrs von proximal zu distal, über dem Druckschwankungen auftreten können, entlang der Brennstoffzelle und nicht über mehreren Zellen liegt. Somit treten bei dieser parallelen Ausgestaltung Fehlverteilungen von Strömungen wahrscheinlicher in der Zelle auf. Während eine gleichmäßige Strömung zu allen Zellen und in jeder Zelle aufgrund der parallelen Natur des Stapels 182 gerichtet ist, ist das Erreichen derselben Strömung zu allen Zellen wichtiger.
Die Anodensammelrohre 196, 198, 204 und 206 bedecken die Ecken des aktiven Bereichs 184. In einer Ausgestaltung, bei der die Plattenränder zum Bilden einer Federdichtung umgelegt sind, nimmt einer der Reaktionsgaskanäle den durch die Federdichtung gebildeten Hohlraum ein. Alle Ränder müssen in der gleichen Richtung umgelegt sein, damit sich Reaktionsgase nicht mischen. Weiterhin können die Ränder nicht um die Ecke umgelegt werden, daher erzeugt dies eine Fuge, bei der undichte Stellen auftreten könnten. Durch Abdecken der Fuge mit einem externen Sammelrohr werden die Undichtigkeiten behoben. Während es bevorzugt wäre, das Anodenvolumen zu minimieren, besteht eine vorrangige Anforderung darin, über die Kathode eine durchgehende Fläche zum Benetzen vorzusehen. Um diese Anforderung zu erfüllen, erfolgt die Umlegung der Bipolarplatte so, dass dieser Hohlraum den Anodengasstrom enthält. Zu beachten ist, dass die Flansche an den Kathodensammelrohren 188 und 192 an der Seite hin zu den verbindenden Anodensammelrohren innen sind, um eine im Allgemeinen flache Abdichtfläche für die Anodensammelrohrflansche vorzusehen. Es wird erwartet, dass ein verhältnismäßig dicker Auftrag von Dichtmittel oder Klebstoff, beispielsweise RTV, zum Abdichten der externen Sammelrohre verwendet werden kann, insbesondere dort, wo die externen Sammelrohrflansche durch die verhältnismäßig unebenen Zellenränder verlaufen.
Das Verdunstungskühlwasser wird durch die erwärmten Tropf- und Ablassrohre 212 bzw. 214 zugeführt und abgeführt. Es werden mehrere Tropfrohre 212 gezeigt, und es wird erwartet, dass jedes Rohr 212 mehrere Öffnungen zum gleichmäßigen Ablassen von Wasser über dem Kathodeneingangssammelrohr 188 aufweist. Zum weiteren Verteilen des Wassers bedeckt hydrophiler Schaumstoff 216 die Einlassfläche des Kathodeneingangssammelrohrs 188. Es können weitere Merkmale zum Verbessern des Abtropfens oder Abführens von überschüssigem Verdunstungskühlwasser von der Platte verwendet werden. Das Kathodenabgassammelrohr 192 läuft konisch zu, um das überschüssige Wasser zu dem Tropfrohr 214 zu leiten. Alle Rohre 212 und 214 würden eine Art von Heizung aufweisen, um das Einleiten und Aufrechterhalten eines Betriebs unter Gefrierbedingungen zu erleichtern. Die Heizung kann in Form eines elektrisch erwärmten und isolierten Drahts in den Rohren 212 und 214 vorliegen. Das Katalysieren des Schaumstoffs 216 und Verwenden der Wasserstoffableitung könnte zur Unterstützung von Starten bei Gefrierbedingungen und Kaltbetrieb verwendet werden.
Die Zufuhr von Wasser für die Verdunstungskühlung kann durch Kondensieren und Abscheiden von Wasser von dem Kathodenabgas zum Wahren von Wasserneutralität erhalten werden. Ein Wasserspeicher im System kann genutzt werden, um unter Bedingungen hoher Wärmelast einen ausgeweiteten Betrieb zuzulassen. Wasser kann dem Fahrzeug auch zugeführt werden, beispielsweise während Auftanken mit Wasserstoff. Die Höchstmenge erforderlichen Wassers liegt bei etwa 20 kg pro kleines kg Wasserstoff. Das Kühlwasser könnte auch durch die Kombination von Kondensieren und Tanken erhalten werden.
Zum Abführen von Wasser aus dem Kathodenabgassammelrohr 192 ist eine Pumpe erforderlich. Abhängig von den Verfahren zur Wasserzufuhr würde eine Pumpe auch zum Bewegen von Wasser von dem Abscheider oder dem Wasserzufuhrtank zu dem Kathodeneingangssammelrohr verwendet werden.
Bei Verdunsten von Wasser würden aufgelöste Feststoffe abgelagert werden, wenn die Konzentration die Löslichkeit übersteigt. Zum Entschärfen dieses möglichen Problems kann in dem Verdunstungskühlwasserkreislauf ein chemischer Filter verwendet werden. Weiterhin begünstigt ein ständiges Strömen von Verdunstungswasser das Abführen von aufgelösten Materialien aus dem Stapel. Wenn eine Wasserzufuhr verwendet wird, sollte dieses Wasser von hoher Reinheit sein. Es sollte beachtet werden, dass solche Ablagerungen in herkömmlichen Zellen, bei denen Wasser von verhältnismäßig nassen Bereichen aufgelöste Feststoffe von der Platte mit sich führt und zu trockeneren Bereichen der Zelle bewegt, wahrscheinlicher auftreten und vollständig verdampfen, wodurch ständig aufgelöste Feststoff innerhalb dieser trockener Bereiche abgelagert werden.
Die Anoden- und Kathodenströmungsfelder werden durch Beachten der erwünschten Kanalmuster für die Kathoden- und Anodengase erzeugt. 21 ist eine Draufsicht auf einen Eckenbereich eines Brennstoffzellenstapels 230 nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei Kathoden- und Anodenströmungskanäle 232 und 234 in einem aktiven Bereich 236 gezeigt werden. Stege werden nicht gezeigt, da in gewisser Hinsicht jedes Reaktionsgasströmungsfeld die gesamte Strömungsfläche ohne Stege wünschen würde. Natürlich sind Stege zum Unterstützen des Spalts zwischen den Kanälen und der Diffusionsmediumschicht erforderlich und auch zum Vorsehen eines elektrisch leitenden und wärmeleiten den Wegs. Diese Stege erscheinen dort, wo das andere Strömungsfeld Kanäle erfordert oder kein Kanal erforderlich ist.
Wenn beide Strömungsfelder einen Kanal erfordern, wird die Plattenerhebung bei dem Sollwert gehalten. 22 ist eine Draufsicht auf einen Eckbereich eines Brennstoffzellenstapels 240, der diese Ausgestaltung zeigende Anodenströmungskanäle 242 und Kathodenströmungskanäle 244 umfasst. Bei Bedarf kann die Sollerhebung hin zur Anode oder Kathode tendieren, um relative Druckabfälle und die Strömungsverteilung zu beeinflussen.
Wenn kein Strömungsfeld Kanäle erfordert, beispielsweise in den Tunneln, können Stege hinzugefügt werden. 23 ist eine Draufsicht auf einen Eckenbereich eines Brennstoffzellenstapels 250, der diese Ausgestaltung zeigende Anodenströmungskanäle 252 und Kathodenströmungskanäle 254 umfasst. Zwischen Anodenquerkanälen sind auch Stege 256 hinzugefügt, um zum bessern Zuschneiden des Anodenströmungsausgleichs eine Wechselwirkung zwischen den Zuführkanälen zu mindern.
Aufgrund der stark dreidimensionalen Ausbildung des Anoden- und Kathodenquerströmungsbereichs könnte in diesem Bereich eine gröbere Abstufung ohne Beschränkung auf eine feinere Abstufung verwendet werden, die in dem ausgerichteten Bereich verwendet werden könnte, der nur eine zweidimensionale Ausbildung durch das Integrieren eines offenen Raums zwischen diesen Bereichen aufweist, um eine willkürliche Strömungsverzweigung zwischen einer Zufuhr zu angrenzenden Kanälen in dem ausgerichteten Bereich zu ermöglichen. 24 ist eine Draufsicht auf einen Eckenbereich eines Brennstoffzellenstapels 260, der diese Ausgestaltung zeigende Anodenströmungskanäle 262 und Kathodenströ mungskanäle 264 umfasst, wobei ein offener Raum 266 für eine willkürliche Verzweigung vorgesehen ist.
Für die in 21–24 gezeigten Strömungsfelder werden lediglich zum besseren Verständnis keine Schlängelungen gezeigt. Die in 24 gezeigte Ausgestaltung kann ein anderes Herstellungsverfahren zum Erzielen feinerer Abstufungen zulassen. Die ausgerichteten Kanäle könnten durch Wellungen gebildet werden. In diesem Fall würden keine Schlängelungen verwendet werden, sondern eine sehr feine Abstufung, die Kanalspannen können kurz genug sein, um ein Zuschneiden der Diffusionsmediumschicht zu verhindern, so dass Schlängelungen nicht erforderlich sind. Diese Ausbildung würde auch das gewellte Muster in den Querkanal- und Kathodentunnelbereichen erzeugen. Dieses Muster könnte bei Bedarf durch Verwenden von Rollen zunehmender Stufen aus diesen Bereichen entfernt werden. Das erwünschte Muster könnte dann nur durch Stanzen von Querkanälen, Kathodentunneln und Anodentunnelbereichen gebildet werden. Die Randmerkmale würden anschließend durch Umlegen gebildet werden.
Für die Endzellen ist abgesehen vom Absperren der Reaktionsmittelströmung zu der nicht verwendeten Seite der letzten Platte keine spezielle Behandlung erforderlich. Dies ist ein Vorteil gegenüber herkömmlich gekühlten Zellen, bei denen es erwünscht ist, die Strömung von Kühlfluid zur Endzelle zu verringern, um die Wärmebelastung anzupassen, was eine besondere Endplattenauslegung erfordert..
Der aktive Bereich 184 ist von einer Eingrenzung umgeben, die aus Rändern und Tunneln besteht. Bei dieser Auslegung mit einer einzigen Platte werfen die Ecken spezifische Probleme auf. Zwischen der Platte oder ihrer funktionellen Verlängerung und der Membran an beiden Seiten muss an den Rändern eine Abdichtung ausgebildet werden. An den Tunneln muss nur eine Seite der Membran die Platte abdichten, während die andere Seite offen ist, um Reaktionsgas von dem jeweiligen Sammelrohr strömen zu lassen, so dass es die erwünschte Seite der Membran erreicht. Zum Verwirklichen einer Abdichtung sollte an beiden Seiten eine glatte, durchgehende Fläche vorgesehen sein. Diese Flächen müssen zum Abdichten auch einer Druckbelastung standhalten, während sie auch Nachgiebigkeit zum Ausgleichen von Dickenschwankungen vorsehen. Innerhalb des aktiven Bereichs ist die Wiederholungsdicke gleich der MEA-Dichte, den beiden komprimierten Diffusionsmediumschichtdicken, der Kanaltiefe plus der Plattendicke. Die komprimierte Umfangdicke muss der Wiederholungsdicke des aktiven Bereichs entsprechen. Diesbezügliche Lösungsversuche bestehen aus der Verwendung einer Elastomerdichtung, dem Stanzen der Platte auf die Solldicke und dem Füllen der Aussparungen mit einem Elastomer oder dem Abdecken mit einer Beilagscheibe, um eine glatte Fläche vorzusehen, die Diffusionsmediumschicht in den Umfang zu verlängern und den Plattenrand zurück auf sich selbst umzulegen, um Dicke und eine federartige Dichtung vorzusehen.
Eine Elastomerdichtung ist im Verhältnis zu den erwünschten Kosten der Brennstoffzelle teuer, und das Füllen von Plattenmerkmalen mit Elastomerdicke wäre ebenfalls teuer. Beilagscheiben können zum Vorsehen einer glatten Fläche und Aufnehmen von Abdichtungslasten, insbesondere über Tunneln, verwendet werden. Der Abschluss der Beilagscheibe erzeugt aber eine Stufe. Das Vorsehen einer durchgehenden Beilagscheibe um den Umfang beseitigt die Stufe, erfordert aber ein großes zusätzliches Teil. Diese Funktionalität könnte durch Verwenden einer dicken Unterdichtung verwirklicht werden. In diese Bereiche verlängerte Diffusionsmediumschichten müssten gefüllt werden, um eine Abdichtung zu ermöglichen. Ein anderer Lösungsansatz zum Verhindern von Lecken aus den Diffusionsmediumschichten, die zu dem Umfang verlängert sind, ist das Wickeln der Unterdichtung um den Rand der Diffusionsmediumschicht. Bei zwei Unterdichtungen kann dieses Verfahren an beiden Diffusionsmediumschichten angewendet werden. Dieser Lösungsansatz bringt aber an den Ecken, an denen Fugen gebildet werden, gewisse Probleme mit sich. Der Lösungsansatz mit umgelegter Platte ist interessant, da keine zusätzlichen Teile erforderlich sind und die Nachgiebigkeit Dickenschwankungen ausgleicht.
Das bei gestanzten Platten verwendete übliche Abdichtungs- und Tunnelverfahren funktioniert nicht bei einer Einzelplatte. Dieses Verfahren kann durch Hinzufügen einer zweiten Schicht gestanzter Platten für die Tunnel genutzt werden. Die zweite Schicht müsste gegenüber der primären Platte abgedichtet werden, beispielsweise durch Laserschweißen. Die zweite Schicht würde auch eine Stufe gleich der Metalldicke erzeugen, die die Dichtung durchqueren müsste, es sei denn die zweite Schicht wäre so groß wie die primäre Platte, was offensichtlich dem Zweck der Einzelplatte widerspricht. Andernfalls könnten zwei Einsätze, die nur die Tunnelbereiche bedecken, verwendet werden. Da die in diesen alternativen Auslegungen erforderlichen Stufen und Löcher auch aufgrund Wasserfilmbildung, der Notwendigkeit zusätzlicher Platten, der Notwendigkeit einer Schweißnaht und einer teuren Elastomerdichtung untragbar sind, hat dieser Lösungsansatz gewisse Nachteile.
25 ist eine Querschnittansicht einer Brennstoffzellen-Struktur 270 in dem Stapel 182 durch die Linie 25-25 nach einer erfindungsgemäßen Ausführung. Die Struktur 270 umfasst eine Bipolarplatte 272 aus einem einzigen Blech der vorstehend beschriebenen Art. Eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 274 ist an einer Seite der Platte 272 angeordnet, und eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 276 ist an einer gegenü berliegenden Seite der Platte 272 angeordnet. Eine Zellenmembran 278 ist angrenzend an die Diffusionsmediumschicht 274 gegenüber der Platte 272 angeordnet, und eine Zellenmembran 280 ist angrenzend an die Diffusionsmediumschicht 276 gegenüber der Platte 272 angeordnet. Die Platte 272 und die Diffusionsmediumschicht 274 bilden Kathodenreaktionsgasströmungskanäle 282 aus, und die Platte 272 und die Diffusionsmediumschicht 276 bilden Anodenreaktionsgasströmungskanäle 284 aus. In dieser Ausführungsform für den Abdichtbereich 186 ist um die Platte 272 eine geeignete Elastomerfüllung 286 vorgesehen, und Füllungsmaterialien 288 und 290 sind wie gezeigt kombiniert mit den Diffusionsmediumschichten 274 bzw. 276 vorgesehen.
Die Plattenbildung wird zum Festlegen der Solldicke genutzt, die anschließend zum Erzeugen glatter Flächen gefüllt wird. Um innerhalb der Grenzen der Materialstreckung durch Stanzen zu bleiben, ist die ausgebildete Dicke gleich dem Strömungsfeld. Die Diffusionsmediumschichten 274 und 276 sind an beiden Flächen verlängert, um den verbleibenden Raum zu füllen, und die Ränder der Diffusionsmediumschicht sind gefüllt. Dieser Lösungsansatz kann aufgrund der Prozesszeit für das Härten des Füllmaterials genauso teuer wie eine Elastomerdichtung sein. Es kann erwünscht sein, dass das Härten des Materials nach dem Zusammenbau des Stapels 182 erfolgt, damit sich das Füllmaterial 288 und 290 den Dickenschwankungen anpassen kann.
26 ist eine Querschnittansicht einer Brennstoffzellenstruktur 300 in dem Brennstoffzellenstapel 182 durch die Linie 25-25 für eine andere Auslegung der Abdichtung nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei gleiche Elemente wie in der Brennstoffzellenstruktur 270 durch das gleiche Bezugszeichen kenntlich gemacht sind. In dieser Ausführungsform umfasst die Platte 272 einen flachen Teil 306 an dem Abdichtbereich 186. Zwischen dem flachen Teil 306 und der Membran 278 ist eine Elastomerdichtung 302 vorgesehen, und zwischen dem flachen Teil 306 und der Membran 280 ist eine Elastomerdichtung 304 vorgesehen, um die Dichtung vorzusehen. Diese Ausführungsform ermöglicht das Entfernen einer der Dichtungen in den Tunnelbereichen, damit Reaktionsgas zu den Wegen strömen kann.
27 ist eine Querschnittansicht einer Brennstoffzellenstruktur 310 in dem Brennstoffzellenstapel 182 durch die Linie 25-25 für eine andere Auslegung der Abdichtung nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei gleiche Elemente wie in der Brennstoffzellenstruktur 270 durch das gleiche Bezugszeichen kenntlich gemacht sind. In dieser Ausführungsform umfasst die Platte 272 einen Teil 312 mit umgelegtem Rand an dem Abdichtbereich 186, der wie gezeigt den Raum zwischen dem Füllmaterial 288 und der Membran 280 auffüllt. Die gefüllte Diffusiosmittelschicht 274 kann sich wie gezeigt als Verlängerung von glatten, Kompression aufnehmenden Flächen, die für Tunnel erforderlich sind, in die Ränder erstrecken.
28 ist eine Querschnittansicht einer Brennstoffzellenstruktur 314 in dem Brennstoffzellenstapel 182 durch die Linie 25-25 für eine andere Auslegung der Abdichtung nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei gleiche Elemente wie in der Brennstoffzellenstruktur 270 durch das gleiche Bezugszeichen kenntlich gemacht sind. In dieser Ausführungsform wurden die Diffusionsmediumschichten 274 und 276 verkürzt, und einen Rand der Platte 272 wurde umgelegt, um einen Teil 316 mit umgelegtem Rand vorzusehen, der die Abdichtung an dem Abdichtbereich 186 vorsieht. Eine Ausgestaltung mit einem umgelegten Rand, bei dem sich die beiden Diffusionsmediumschichten 274 und 276 in den Rand erstrecken, ist möglich, doch kann der für den umgelegten Rand verbleibende Raum zu klein sein, insbesondere in den Tunnelbereichen.
29 ist eine Querschnittansicht einer Brennstoffzellenstruktur 320 in dem Brennstoffzellenstapel 182 durch die Linie 25-25 für eine andere Auslegung der Abdichtung nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei gleiche Elemente wie in der Brennstoffzellenstruktur 270 durch das gleiche Bezugszeichen kenntlich gemacht sind. In dieser Ausführungsform wurden die Diffusionsmediumschichten 274 und 276 verkürzt, und die Platte 272 weist einen Teil 322 mit doppelt umgelegtem Rand auf, der die Abdichtung an dem Abdichtbereich 186 vorsieht. Die umgelegten Ränder können einen leeren Bereich vorsehen, der Reaktionsgas enthält, der mit den Kanälen an der Unterseite der Platte 272 verbunden ist. Dieses Leervolumen kann mit dem umgelegten Teil 322 verringert werden. Während andere Randausgestaltungen möglich sein, ist ein Teil dessen, was hier gezeigt wird, auf die Ausgestaltungen beschränkt, die funktionelle Tunnelausgestaltungen unterstützen würden. Die Teile mit umgelegtem Rand erfordern andere Lösungsansätze für die Zellenspannungslaschen, Kurzschließstreifen von Zelle zu Zelle und Ausrichtungsstifte. Der Teil 322 mit doppelt umgelegtem Rand könnte diese Merkmale integrieren und könnte nur entlang der Ränder verwendet werden, an denen diese Merkmale erforderlich sind, mit einem Übergang von Einzel- zu Doppelumlegungen in den Anodensammelrohren.
Das an den Rändern verwendete Abdichtverfahren muss mit der Ausgestaltung an den Tunneln vereinbar sein. Das Problem liegt darin, die Dichtungsunterstützung an einer Seite zu wahren, während an der anderen Seite der Platte Gasdurchlässe erzeugt werden. Bei einer Bipolarplatte mit zwei Plattenhälften wird dies durch Ausbilden von Löchern oder Tunneln an einer Plattenhälfte verwirklicht, um ein Reaktionsgas strömen zu las sen, wobei die andere Plattenhälfte zum Abdichten gegenüber der Membran glatt ist. Die Verwendung von Diffusionsmediumschichten oder Beilagscheiben zum Vorsehen einer glatten Fläche über den Tunneln, die sich in der Platte befinden, wird ebenso in Betracht gezogen wie umgelegte Ränder zum Erzeugen von zwei unabhängigen Flächen aus der einzigen Platte.
30 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 270 durch die Linie 30-30 des Stapels 182 in dem Tunnelbereich zwischen dem Kathodenauslasskrümmer 192 und dem aktiven Bereich 184. Ein Kathodenstegmerkmal 330 ist im Umriss gezeigt, wobei ein Füllmaterial 332 an der Rückseite des Tunnels vorgesehen ist, der die Kathodenströmungskanäle 282 durch den Tunnelbereich zwischen dem Anodeneingangssammelrohr 196 und dem aktiven Bereich 184 bildet.
31 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 300 durch die Linie 30-30 des Stapels 182 in dem Tunnelbereich zwischen dem Kathodenausgangssammelrohr 192 und dem aktiven Bereich 184. In dieser Ausführungsform wurde auf die Dichtung 302 verzichtet, um den Tunnel vorzusehen, durch den das Kathodenreaktionsgas durch den Strömungskanal 282 strömen kann. Beilagscheiben 340, 342 und 344 sind wie gezeigt vorgesehen, um über den Tunneln in dem Abdichtbereich 186 Steifigkeit vorzusehen. Die Beilagscheiben 340, 342 und 344 sind an beiden Seiten der Platte 272 erforderlich, um an beiden Seiten der Dichtung eine glatte Fläche vorzusehen. Die Beilagscheibe an der Nichtströmungsseite der Tunnel muss ebenfalls mit der Platte 272 verbunden sein, um eine Strömung an den Tunneln zu der falschen Seite der Platte 272 zu unterbinden. Die Beilagscheiben 340, 342 und 344 können sich als Unterdichtung um den Umfang der Membran fortsetzen, wenngleich sie in 26 nicht gezeigt sind. Diese zusätzlichen Bestandteile und zugehöri gen Zusammenbauvorgänge machen diesen Lösungsansatz noch uninteressanter.
32 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 310 durch die Linie 30-30 des Stapels 182 in dem Tunnelbereich zwischen dem Kathodenausgangssammelrohr 192 und dem aktiven Bereich 184. Bei dieser Ausführungsform ist der Teil 312 mit umgelegtem Rand durch einen Teil 350 mit umgelegtem Rand ersetzt, um den Tunnel aufzunehmen, durch den das Kathodenreaktionsgas strömt.
33 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 310 durch die Linie 33-33 des Stapels 182 in dem Tunnelbereich zwischen dem Anodeneingangssammelrohr 196 und dem aktiven Bereich 184. Bei dieser Ausführungsform ist der Teil 312 mit umgelegtem Rand durch einen Teil 352 mit umgelegtem Rand ersetzt, um den Tunnel aufzunehmen, durch den das Anodenreaktionsgas strömt. Mit nur einer einzigen vergrößerten Diffusionsmediumschicht oder Beilagscheibe kann es erforderlich sein, die Membran mit der Diffusionsmediumschicht bzw. der Beilagscheibe zu verbinden, damit sich die Membran nicht ablöst, was einen Leckweg zur falschen Seite der Platte erzeugt. Ist kein Verbinden erreichbar, könnten an beiden Seiten der Membran Beilagscheiben verwendet werden.
Bezüglich des umgelegten Rands werden Tunnel von beiden Seiten der Platte gezeigt. Da Reaktionsgas den durch den umgelegten Rand ausgebildeten Hohlraum einnimmt, ist es erforderlich, an allen Rändern der Platte in der gleichen Richtung umzulegen, ansonsten würde die Umlegung einen Leckweg zwischen den beiden Reaktionsgasen erzeugen. Wenn die Enden der Umlegungen abgedichtet werden könnten, dann könnte diese Anforderung vermieden werden. Die Diffusionsmediumschicht oder Beilagscheibe könnte sich nur in deren Tunnelbereich zum Rand erstrecken, dies erzeugt aber einen Mangel an Abdichtlastunterstützung in dem Übergang von der Diffusionsmediumschicht oder Beilagscheibenfläche zu den Flächen der umgelegten Platte. Es wird angemerkt, dass das Füllen der Diffusionsmediumschicht über den Tunneln nicht erforderlich ist, da der Reaktionsgasstrom an dieser Stelle sowieso durch die Tunnel strömt.
34 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 314 durch die Linie 30-30 des Stapels 182 in dem Tunnelbereich zwischen dem Kathodenausgangssammelrohr 192 und dem aktiven Bereich 184. In dieser Ausführungsform ist der Teil 316 mit umgelegtem Rand durch einen Teil 354 mit umgelegtem Rand ersetzt, um den Tunnel aufzunehmen, durch den das Kathodenreaktionsgas strömt. Beilagscheiben 356 und 358 sehen über den Tunnelbereichen Steifigkeit vor. Die Beilagscheibenfunktion wird bevorzugt durch Membranunterdichtungen vorgesehen, die sich um den Umfang der Membran fortsetzen würden, wenngleich dies in 28 nicht gezeigt wird.
35 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 314 durch die Linie 33-33 des Stapels 182 in dem Tunnelbereich zwischen dem Anodeneingangssammelrohr 192 und dem aktiven Bereich 184. In dieser Ausführungsform ist der Teil 316 mit umgelegtem Rand durch einen Teil 360 mit umgelegtem Rand ersetzt, um den Tunnel aufzunehmen, durch den das Anodenreaktionsgas strömt.
36 ist eine Querschnittansicht einer Brennstoffzellenstruktur 370 ähnlich dem in 33 gezeigten Brennstoffzellenstapel 310 durch den Abdichtbereich 186 an Linie 33-33 nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei gleiche Elemente durch das gleiche Bezugs zeichen kenntlich gemacht sind. In dieser Ausführungsform ist der Teil 352 mit umgelegtem Rand der Platte 372 mit einem verbreiteten Teil 372 mit umgelegtem Rand ersetzt, der eine Öffnung 374 aufweist, durch die das Wasserstoffreaktionsgas von dem Sammelrohr 196 in den aktiven Bereich 184 einströmt. Aufgrund der gegenseitigen Verbindung der durch die Umlegung erzeugten Leerräume kann auf diese Weise nur ein Reaktionsgas zugeführt werden. In Anbetracht der Notwendigkeit von Abtransport über die Kathodenplatte könnte diese Struktur nur für die Anodenseite verwendet werden. Dies bringt auch zusätzliche Prozessschritte zum Bilden der Löcher in der Platte mit sich.
37 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 380 ähnlich der in 35 gezeigten Brennstoffzellenstruktur 314 durch die Linie 33-33 des Stapels 182 in dem Tunnelbereich zwischen dem Anodeneingangssammelrohr 192 und dem aktiven Bereich 184 nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung, wobei gleiche Elemente durch das gleiche Bezugszeichen kenntlich gemacht sind. Der Teil 360 mit umgelegtem Rand wurde verlängert, um den gesamten Abdichtbereich zu bedecken. In dieser Ausführungsform ist in dem Teil 384 mit umgelegtem Rand eine Öffnung 382 ausgebildet, durch die das Wasserstoffreaktionsgas strömt.
Die Ecken werden zur Verbindungsstelle der beiden Ränder. Bei den Ausgestaltungen mit Füllung stellt dies kein Problem dar, da die gleiche Ausgestaltung wie bei dem Rand um die Ecke fortgesetzt werden kann. Bei den umgelegten Ausgestaltungen kann die Platte 272 nicht um eine Ecke umgelegt werden. An dieser Stelle wird es offensichtlich, dass die Umlegrichtung nicht ohne Abtrennen der Platte geändert werden kann. Es könnte ein aufwändiger Prozess zum erneuten Verbinden der abgetrennten Ränder und Füllen des Hohlraums verwendet werden. Der Schlüssel für eine vereinfachte Ausgestaltung mit umgelegtem Rand besteht darin, eine Fläche glatt zu halten, so dass an einer Seite die Abdichtung zur Membran gewahrt werden kann. An der anderen Seite, an der die Platte 272 umgelegt ist, sind Spalte zulässig, da die Ecke durch ein externes Sammelrohr abdeckt wird. Natürlich muss das externe Sammelrohr dem Reaktionsgas in dem durch den umgelegten Rand erzeugten Hohlraum entsprechen. Es wird ebenfalls angemerkt, dass die umgelegten Ränder zwischen den Eingangs- und Ausgangssammelrohren einen Umgehungskanal erzeugen. In diese Umlegung könnte ein Filmmaterial eingesetzt werden, um diese Umgehung zu mindern.
38 ist eine Querschnittansicht einer Brennstoffzellenstruktur 390 durch die Linie 30-30 des Stapels 182 in dem Tunnelbereich zwischen dem Kathodenausgangssammelrohr 192 und dem aktiven Bereich 184. In dieser Ausführungsform sieht eine dickere Beilagscheibe 392 Steifigkeit über dem Tunnelbereich vor. Um eine übermäßige örtliche Kompression zu vermeiden, geht die dickere Beilagscheibe 392 nicht unter die Diffusionsmediumschicht 274. Die Beilagscheiben 356, 358 und 392 dienen auch als Membranunterdichtungen und setzen sich um den Umfang fort, wenngleich dies in 28 nicht gezeigt ist. Dies ähnelt der in 34 gezeigten Ausgestaltung.
39 ist eine Draufsicht auf einen Eckenbereich des Brennstoffzellenstapels 182 nahe dem Anodeneingangssammelrohr 196 und dem Kathodenausgangssammelrohr 192.
40 ist eine Querschnittansicht der Brennstoffzellenstruktur 390 durch die Linie 40-40 in 39.
Es wurden hierin mehrere Rand – und Tunneloptionen beschrieben. Einige Ausgestaltungen sollten niedrigere Materialkosten und weniger Bear beitungsschritte aufweisen, während sie die funktionellen Anforderungen erfüllen. Die Ausgestaltung mit Füllung weist aufgrund der Bearbeitungszeit zum Härten des Füllmaterials höhere Kosten auf. Der Lösungsansatz der Verwendung der Diffusionsmediumschichten als Dichtungsunterlage ist vorteilhaft, da er kein zusätzliches Teil erfordert. Das Verwenden einer Unterdichtung als Beilagscheibe hat den gleichen Vorteil. Somit sind entweder die in 27 gezeigte Randausgestaltung mit der Tunnelausgestaltung in 32 und 33 oder die in 28 gezeigte Randausgestaltung mit der Tunnelausgestaltung in 34 und 35 geeignet. Auch wenn das Verwenden einer Diffusionsmediumschicht als Dichtunterlage einen zusätzlichen Schritt zum Füllen des Rands erfordert, könnte dies als kontinuierlicher Heisspressprozess erfolgen, da nur ein Streifen entlang jeder der Anodensammelrohrseiten der Diffusionsmediumschicht gefüllt werden muss, wenn die Kathodendiffusionsmediumschicht als Dichtungsunterlage verwendet wird, da die Umlegung hin zur Anodenseite erfolgt.
Es wird auch empfohlen, dass die Diffusionsmediumschicht aufgrund der Entweichmöglichkeit um den gesamten Umfang und nicht nur in dem Tunnelbereich verwendet wird. Werden Beilagscheiben verwendet, besteht der bevorzugte Lösungsansatz darin, eine dicke Unterdichtung zum Vorsehen dieser Funktion zu verwenden. Eine Beilagscheibenunterlage anstelle einer Diffusionsmediumschichtunterlage bietet mehr Raum zum Bilden des umgelegten Rands und Tunnel, was in Anbetracht der kleinen Maße hilfreich sein kann, und ermöglicht auch einen größeren Federbereich der umgelegten Dichtung. Ein Problem bei dieser Ausgestaltung ist, dass sich die Unterdichtungen herkömmlicherweise auf die Diffusionsmediumschicht erstrecken, daher würde dies in dem Überschneidungsbereich hohe Kompressionslasten erzeugen. Es ist auch wichtig, keinen Spalt zwischen der Diffusionsmediumschicht und der Unterdichtung zu belassen bzw. die Katalysatoren nicht durch die Diffusionsmediumschicht abdecken zu lassen. Um dies anzugehen, wird ein Lösungsansatz empfohlen, der gleichzeitig mit der gleichen Stanze sowohl die Diffusionsmediumschicht als auch die dicke Unterdichtung stanzt, so dass die Diffusionsmediumschicht perfekt in das in dem dicken Unterdichtungsrahmen ausgebildete Loch passt. Eine dünne Unterdichtung an der Diffusionsmediumschicht könnte ebenfalls an der anderen Seite mit einem kleinen Fenster verwendet werden, das für gewöhnlich die Anode sein würde. Da dies keine zusätzlichen Teile oder Prozesse außer dem Umlegen der Ränder erfordert, bietet diese Auslegung gewisse Vorteile. Die Verwendung von Löchern in dem Rand für Tunnel, wie in 36 und 37 gezeigt wird, bietet gegenüber gestanzten Tunneln keine Vorteile, sondern erfordert zusätzliche Bearbeitung.
Ein anderes Verfahren zum Einleiten von Verdunstungskühlwasser umfasst einen Zerstäuber, der Wasser in die Kathodenluftleitung sprüht. 41 ist eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel 400 mit einem aktiven Bereich 402 nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform. Um den aktiven Bereich 402 ist ein Abdichtbereich 404 ausgebildet. Anodenreaktionsgas wird zu dem aktiven Bereich 402 durch Anodeneingangssammelrohre 406 und 408 geschickt und verlässt den Stapel 400 durch Anodenabgassammelrohre 410 bzw. 412. Ferner wird dann Kathodeneinlassluft zu dem Stapel 400 durch Kathodeneingangssammelrohr 414 geschickt und wird von dem Stapel 400 durch Kathodenausgangssammelrohr 416 ausgestoßen. Bei dieser Auslegung gibt ein Wasserzerstäuber 420 der Kathodeneinlassluft in dem Kathodeneingangssammelrohr 414 Wasser für Verdunstungskühlungszwecke zu.
In diesem Schaubild wird die Ausrichtung so gezeigt, dass Strömungs- oder Wassersprühnebelverteilungen entlang der Sammelrohrströmungsrichtungen innerhalb von Zellen und nicht von Zelle zu Zelle erfolgen. Es könnten mehrere Zerstäuber und Kathodenleitungen verwendet werden, um das erforderliche Leiten nach unten zu erreichen oder die Strömungsverteilung auszugleichen. Zu beachten ist, dass ein großes Leiten von Verdunstungswasser nach unten nicht erforderlich ist, da überschüssiges Wasser umgewälzt werden würde.
Eine Analyse der für diesen betriebsfähigen Lösungsansatz erforderlichen Kondensatorgröße wurde mit etwa 20% mehr als bei dem Kühler für eine herkömmlich betriebene Brennstoffzelle ermittelt. Dies würde bei herkömmlichem Fahrzeugraumangebot ein Problem sein. Unter Berücksichtigung der meisten Fahrzeug-Fahrzyklen könnte ein Wasserspeicherkollektor unter Niedrigleistungsbetrieb verwendet werden, um das benötigte Wasser in Hochleistungszeiträumen vorzusehen. Manche Fahrzeuge müssen aber einen ständigen Hochleistungsbetrieb liefern, beispielsweise bei Abschleppanwendungen. Es wird auch erkannt, dass ein luftgekühlter Kondensator für einen Betrieb unter Null ungeeignet wäre. Zum Isolieren des Kondensators von den Unternull-Bedingungen könnte zwischen einen Luftkühler und einem wasserglykol-gekühlten Kondensator ein Wasser-Glykol-Kreislauf verwendet werden. Es kann auch erforderlich sein, den Kondensator aus Edelstahl oder anderen korrosionsbeständigen Materialien zu konstruieren.
42 ist eine Querschnittansicht durch die Linie 42-42 einer Brennstoffzellenstruktur 430 des Stapels 400, die die Tunnelausgestaltung zwischen dem Anodeneingangssammelrohr 406 und dem aktiven Bereich 402 zeigt. Die Brennstoffzellenstruktur 430 umfasst gestaffelte Dichtungen 432 und Einsätze 434.
Die vorstehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird anhand dieser Beschreibung und anhand der Begleitzeichnungen und Ansprüche mühelos erkennen, dass darin verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der in den folgenden Ansprüche dargelegten Erfindung abzuweichen.

Claims

Brennstoffzellenstapel mit mehreren gestapelten Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle einen aktiven Bereich umfasst, wobei der Brennstoffzellenstapel umfasst: mehrere Membranen, wobei jede Brennstoffzelle in dem Stapel eine Membran umfasst; mehrere Diffusionsmediumschichten, wobei jede Brennstoffzelle eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht an einer Anodenseite der Brennstoffzelle und eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht an einer Kathodenseite der Brennstoffzelle umfasst; mehrere zwischen den Brennstoffzellen in dem Stapel angrenzend an die Diffusionsmediumschichten angeordnete Bipolarplatten, wobei die Bipolarplatten der anodenseitigen Diffusionsmediumschicht zugewandte Anodenströmungskanäle und der kathodenseitigen Diffusionsmediumschicht zugewandte Kathodenströmungskanäle umfassen; ein Anodeneingangssammelrohr, das einen Anodenreaktionsgasstrom zu den Anodenströmungskanälen leitet; ein Anodenausgangssammelrohr, das den Reaktionsgasstrom von den Anodenströmungskanälen aufnimmt; ein Kathodeneingangssammelrohr, das einen Kathodenreaktionsgasstrom zu den Kathodenströmungskanälen leitet; ein Kathodenausgangssammelrohr, das den Kathodenreaktionsgasstrom von den Kathodenströmungskanälen aufnimmt; und um den aktiven Bereich der Brennstoffzellen und zwischen dem aktiven Bereich und den Sammelrohren vorgesehene Dichtungen, wobei die Dichtungen durch Umlegen eines Rands der Bipolarplatte gebildet sind.
Stapel nach Anspruch 1, wobei jede Bipolarplatte eine anodenseitige Unipolarplatte und eine kathodenseitige Unipolarplatte umfasst.
Stapel nach Anspruch 2, wobei die Ränder sowohl der anodenseitigen Platte als auch der kathodenseitigen Platte zum Vorsehen der Dichtung umgelegt sind.
Stapel nach Anspruch 2, wobei nur der Rand der anodenseitigen Platte zum Vorsehen der Dichtung umgelegt ist.
Stapel nach Anspruch 2, wobei nur der Rand der kathodenseitigen Platte zum Vorsehen der Dichtung umgelegt ist.
Stapel nach Anspruch 2, wobei nur der Rand der anodenseitigen Platte umgelegt ist, um einen Tunnel für den Anodengas-Reaktionsgasstrom zwischen dem Anodeneingangssammelrohr und dem aktiven Bereich und dem Anodenausgangssammelrohr und dem aktiven Bereich vorzusehen.
Stapel nach Anspruch 2, wobei nur der Rand der kathodenseitigen Platte umgelegt ist, um einen Tunnel für den Kathodengas-Reaktionsmittelstrom zwischen dem Kathodeneingangssammelrohr und dem aktiven Bereich und dem Kathodenausgangssammelrohr und dem aktiven Bereich vorzusehen.
Stapel nach Anspruch 2, welcher weiterhin ein ein Kühlfluid zu Kühlfluidströmungskanälen leitendes Kühlfluideingangssammelrohr und ein das Kühlfluid von den Kühlfluidströmungskanälen aufnehmendes Kühlfluidausgangssammelrohr umfasst, wobei die kathodenseitigen und anodenseitigen Platten dazwischen Kühlfluidströmungskanäle ausbilden, wobei die Ränder sowohl der kathodenseitigen als auch der anodenseitigen Platten umgelegt sind, um die Dichtung und einen Tunnel zwischen dem Kühlfluideingangssammelrohr und dem aktiven Bereich und dem Kühlfluidausgangssammelrohr und dem aktiven Bereich vorzusehen.
Stapel nach Anspruch 2, welcher weiterhin zum Definieren der Dichtungsdicke Beilagscheiben an der Dichtung umfasst.
Stapel nach Anspruch 2, wobei nur der Rand der kathodenseitigen Platte oder der anodenseitigen Platte umgelegt ist und wobei die Umlegung eine doppelte Umlegung ist.
Stapel nach Anspruch 10, wobei die doppelte Umlegung eine Lasche umfasst, die sich aus dem Stapel heraus erstreckt.
Stapel nach Anspruch 1, welcher weiterhin ein ein Kühlfluid zu Kühlfluidströmungskanälen leitendes Kühlfluideingangssammelrohr und ein das Kühlfluid von den Kühlfluidströmungskanälen aufnehmendes Kühlfluidausgangssammelrohr umfasst, wobei die kathodenseitigen und anodenseitigen Platten dazwischen Kühlfluidströmungskanäle ausbilden, wobei der Rand der kathodenseitigen Platte oder der anodenseitigen Platte umgelegt ist, um die Dichtung vorzusehen, und wobei das Kühlfluideingangssammelrohr und das Kühlfluidausgangssammelrohr an Ecken des aktiven Bereichs angeordnet sind, um die Ecken abzudecken und austretendes Kühlfluid zu sammeln.
Stapel nach Anspruch 1, welcher an einer oder an mehreren Ecken des aktiven Bereichs Eckenabdeckungen umfasst, um Undichtigkeiten zu verhindern, die ansonsten infolge der Umlegungen auftreten könnten.
Stapel nach Anspruch 1, wobei jede Bipolarplatte eine Einzelplatte ist, die die Kathodenströmungskanäle an einer Seite der Platte und die Anodenströmungskanäle an einer gegenüberliegenden Seite der Platte ausbildet.
Stapel nach Anspruch 14, wobei sich eine oder beide der Diffusionsmediumschichten an einer Seite der Bipolarplatte über den Abdichtbereich erstreckt/erstrecken und an der Dichtung mit einem Füllmaterial gefüllt ist/sind.
Stapel nach Anspruch 14, wobei der Rand der Einzelplatte in einer doppelten Umlegung umgelegt ist.
Stapel nach Anspruch 14, wobei der Rand der Einzelplatte so umgelegt ist, dass ein Tunnel zwischen dem Anodeneingangssammelrohr und den Anodenströmungskanälen, ein Tunnel zwischen dem Anodenausgangssammelrohr und den Anodenströmungskanälen, ein Tunnel zwischen dem Kathodeneingangssammelrohr und den Kathodenströmungskanälen und ein Tunnel zwischen dem Kathodenausgangssammelrohr und den Kathodenströmungskanälen vorgesehen sind.
Stapel nach Anspruch 14, welcher zum Definieren der Dichtungsdicke weiterhin Beilagscheiben an der Dichtung umfasst.
Stapel nach Anspruch 14, wobei der umgelegte Rand der Einzelplatte ein sich durch diese erstreckendes Loch zum Vorsehen von Strömungen zwischen einem der Sammelrohre und den Strömungskanälen aufweist.
Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend: eine Kathodenströmungskanäle ausbildende kathodenseitige Unipolarplatte; und eine Anodenströmungskanäle ausbildende anodenseitige Unipolarplatte, wobei zwischen den kathodenseitigen und anodenseitigen Unipolarplatten Kühlfluidströmungskanäle ausgebildet sind und wobei ein Rand der kathodenseitigen und/oder der anodenseitigen Bipolarplatten umgelegt sind, um an einem Rand der Brennstoffzelle eine Dichtung auszubilden.
Bipolarplatte nach Anspruch 20, wobei nur der Rand der anodenseitigen Platte umgelegt ist, um einen Tunnel für einen Anodengas-Reaktionsmittelstrom zwischen einem Anodeneingangssammelrohr und einem aktiven Bereich einer Brennstoffzelle und einem Anodenausgangssammelrohr und dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle vorzusehen.
Bipolarplatte nach Anspruch 20, wobei nur der Rand der kathodenseitigen Platte umgelegt ist, um einen Tunnel für den Kathodengas-Reaktionsmittelstrom zwischen einem Kathodeneingangssammelrohr und einem aktiven Bereich einer Brennstoffzelle und einem Kathodenausgangssammelrohr und dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle vorzusehen.
Bipolarplatte nach Anspruch 20, wobei die Ränder sowohl der kathodenseitigen als auch der anodenseitigen Platten umgelegt sind, um die Dichtung und einen Tunnel zwischen einem Kühlfluideingangssammelrohr und einem aktiven Bereich einer Brennstoffzelle und einem Kühlfluidausgangssammelrohr und dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle vorzusehen.
Bipolarplatte nach Anspruch 20, wobei nur der Rand der kathodenseitigen Platte oder der anodenseitigen Platte umgelegt ist und wobei die Umlegung eine doppelte Umlegung ist.
Bipolarplatte nach Anspruch 24, wobei die doppelte Umlegung eine erweiterte Lasche umfasst.
Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte eine Einzelplatte ist und Anodenströmungskanäle an einer Seite der Platte und Kathodenströmungskanäle an einer gegenüberliegenden Seite der Platte umfasst, wobei ein Rand der Bipolarplatte zum Ausbilden einer Abdichtung an einem Rand der Brennstoffzelle umgelegt ist.
Bipolarplatte nach Anspruch 26, wobei der Rand der Platte in einer doppelten Umlegung umgelegt ist.
Bipolarplatte nach Anspruch 26, wobei der Rand der Platte so umgelegt ist, dass ein Tunnel zwischen einem Anodeneingangssammelrohr und den Anodenströmungskanälen, ein Tunnel zwischen einem Anodenausgangssammelrohr und den Anodenströmungskanälen, ein Tunnel zwischen einem Kathodeneingangssammelrohr und den Kathodenströmungskanälen und ein Tunnel zwischen einem Kathodenausgangssammelrohr und den Kathodenströmungskanälen vorgesehen sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 26, wobei der umgelegte Rand der Platte ein sich dadurch erstreckendes Loch zum Vorsehen von Strömungen zwischen einem Sammelrohr und den Strömungskanälen aufweist.