DE102011118817A1

DE102011118817A1 - Brennstoffzellen-separatorplatte

Info

Publication number: DE102011118817A1
Application number: DE102011118817A
Authority: DE
Inventors: Steven J. Spencer; Seth D. Valentine; Courtney E. Reich; Daniel P. Miller
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2012-05-24
Also published as: CN102479966A; US8802326B2; US20120129073A1; CN102479966B

Abstract

Es ist ein Brennstoffzellenstapel und eine Bipolarplatten-Baugruppe vorgesehen, die geradlinige Tunnel aufweisen kann, um Fluide von einer Seite einer Sammlerdichtung zu einer gegenüberliegenden Seite einer Sammlerdichtung zu transportieren, wobei die Reaktandensammler des Brennstoffzellenstapels fluidtechnisch mit Bipolarplatten-Reaktandenströmungskanälen verbunden sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das Gebiet, das diese Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapel und insbesondere eine Reaktandenströmung entlang von Brennstoffzellen-Bipolarplatten.
HINTERGRUND
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 erzeugen, als heutige Fahrzeuge, die Brennkraftmaschinen verwenden.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweisen kann. 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 elektrische Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit kann auf verschiedene Art und Weise zum Betrieb des Fahrzeugs wirken.
Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellen stellen einen Typ von Brennstoffzellen dar, der in Fahrzeugen verwendet werden kann. Eine PEM-Brennstoffzelle umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin, die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement und eine richtige Befeuchtung sowie eine richtige Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einen Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Anodeneingangsgas, typischerweise einen Brennstoff, wie Wasserstoff, auf, der in die Anodenseite des Stapels strömt. Die Brennstoffzelle nimmt auch ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung komprimierter Luft, auf. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff in dem Kathodengas von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann.
Der Brennstoffzellenstapel kann eine Serie von Strömungsfeldplatten oder Bipolarplatten-Baugruppen aufweisen, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die bipolaren Platten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der Bipolarplatten können Anodengasströmungskanäle vorgesehen sein, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite jeder MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten können Kathodengasströmungskanäle vorgesehen sein, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite jeder MEA strömen kann. Die Bipolarplatten bestehen allgemein aus einem leitenden Material und/oder besitzen Flächen, die aus leitendem Material bestehen, wie rostfreiem Stahl oder einem anderen leitenden Material, so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle wie auch aus dem Stapel heraus leiten.
Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels können Reaktandengase und/oder andere Brennstoffzellenfluide über verschiedene Reaktandensammler aufnehmen und freigeben. Ein Reaktandensammler kann entlang oder innerhalb der Länge des Brennstoffzellenstapels verlaufen, um Reaktandengase zu oder von jeder einzelnen Brennstoffzelle in einer parallelen Anordnung zu verteilen oder aufzunehmen.
Es sind verschiedene Konfigurationen entwickelt worden, um Brennstoffzellenfluide, wie gasförmige Brennstoffe, Reaktanden und Reaktanden-Nebenprodukte, zu und von Reaktandensammlern und Brennstoffzellen-Reaktandenströmungskanälen zu transportieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Produkt einen Brennstoffzellenstapel umfassen. Der Brennstoffzellenstapel kann eine Mehrzahl benachbarter Bipolarplatten und einen Reaktandensammler aufweisen. Der Reaktandensammler kann eine erste Sammleröffnung in jeder der Bipolarplatten und eine Sammlerdichtung aufweisen, die zwischen jeder benachbarten Bipolarplatte angeordnet ist und jede ihrer benachbarten ersten Sammleröffnungen umgibt. Jede Bipolarplatte kann ferner Reaktandenströmungskanäle und ein erstes Tunnelgebiet aufweisen, der die Reaktandenströmungskanäle fluidtechnisch mit dem Reaktandensammler verbindet. Zumindest eines der ersten Tunnelgebiete kann einen geradlinigen Tunnel aufweisen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Produkt eine Bipolarplatte umfassen. Die Bipolarplatte kann geprägte Anoden- und Kathodenreaktandenplatten aufweisen. Jede Reaktandenplatte kann Reaktandenströmungskanäle und eine Sammleröffnung aufweisen, die mit der Sammleröffnung der anderen Reaktandenplatte ausgerichtet ist. Die Bipolarplatte kann ferner ein Tunnelgebiet aufweisen, das zwischen den ausgerichteten Sammleröffnungen und den Reaktandenströmungskanälen angeordnet ist. Das Tunnelgebiet kann ein oder mehrere Tunnel aufweisen. Alle Tunnel der Bipolarplatte können in nur einer der Reaktandenplatten geformt sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Produkt einen Brennstoffzellenstapel umfassen. Der Brennstoffzellenstapel kann eine Mehrzahl benachbarter Bipolarplatten und eine Mehrzahl von Reaktandensammlern aufweisen. Jeder Reaktandensammler kann eine Mehrzahl benachbarter Sammleröffnungen, die durch jede benachbarte Bipolarplatte geformt sind, und Sammlerdichtungen aufweisen, die zwischen jeder benachbarten Bipolarplatte angeordnet sind und ihre benachbarten Sammleröffnungen umgeben. Ein Abschnitt jeder Sammlerdichtung kann in einem Tunnelgebiet jeder benachbarten Bipolarplatte angeordnet sein. Jede Sammlerdichtung jedes Reaktandensammlers können miteinander in der Stapelrichtung ausgerichtet sein.
Andere beispielhafte Ausführungsformen werden aus der hier vorgesehenen detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie spezifische beispielhafte Ausführungsformen offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der beanspruchten Erfindungen zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht teilweise im Schnitt eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels;
2 ist eine Ansicht teilweise im Schnitt eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels, der verschachtelte Reaktandenplatten aufweist;
3 ist eine Draufsicht einer Reaktandenseite einer beispielhaften Reaktandenplatte einer Bipolarplatte mit Tunnelgebieten gemäß einer Ausführungsform;
4 ist eine Draufsicht einer Reaktandenseite einer beispielhaften Reaktandenplatte einer Bipolarplatte mit Tunnelgebieten gemäß einer anderen Ausführungsform;
5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der beispielhaften Reaktandenplatte von 3, die beispielhafte Dichtungsstellen zeigt;
6 ist eine perspektivische Schnittansicht eines beispielhaften Bipolarplatten-Tunnelgebiets gemäß einer Ausführungsform;
7 ist eine perspektivische Schnittansicht eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels, die beispielhafte Tunnelgebiete mit ausgerichteten Tunneln zeigt;
8 ist eine perspektivische Schnittansicht eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels, die beispielhafte Tunnelgebiete mit versetzten Tunneln zeigt; und
9 ist eine perspektivische Schnittansicht eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels, die ein Bipolarplatten-Tunnelgebiet zeigt, gemäß einer anderen Ausführungsform.
DETAILLIETE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die beanspruchten Erfindungen, ihre Anwendungen oder Gebräuche zu beschränken.
Ein Brennstoffzellenstapel kann eine Mehrzahl von Bipolarplatten aufweisen, die benachbart zueinander angeordnet sind, wobei benachbarte Bipolarplatten dazwischen angeordnete Membranelektrodenbaugruppen (MEAs) aufweisen. Die Bipolarplatten können in einer Vielzahl von Formen, Größen und Konfigurationen geformt sein, sind jedoch allgemein elektrisch leitende Komponenten, die Anoden- und Kathodenreaktandenströmungskanäle auf gegenüberliegenden Seiten aufweisen können. Einige Bipolarplatten sind Bipolarplatten-Baugruppen, die mehr als eine Komponente aufweisen können. Beispielsweise kann eine Bipolarplatten-Baugruppe ein Paar von aneinander befestigten Reaktandenplatten aufweisen. Das Paar von Reaktandenplatten kann eine Anodenreaktandenplatte und eine Kathodenreaktandenplatte aufweisen.
Die Bipolarplatten und/oder ihre individuellen Komponenten können unter Verwendung einer Vielzahl von Techniken geformt werden, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Guss-, maschinelle Bearbeitungs-, Formgebungs-, Formungs- und/oder Stanz- bzw. Prägeprozesse. Der Fachmann erkennt, dass Prägen bzw. Stanzen ein Verfahren zum Formen von Materialien in gewünschte Formen dargestellt, dass jedoch andere bekannte Techniken dazu verwendet werden können, Materialien in Gestaltungen zu formen, die typischerweise durch Prägeprozesse geformt werden. Der hier verwendete beschreibende Begriff ”geprägt” wird dazu verwendet, jegliche Struktur zu beschreiben, die durch einen Stanz- bzw. Prägeprozess geformt werden kann, beschreibt jedoch auch jegliche Struktur, die Merkmale aufweist, die allgemein für Präge- bzw. Stanzprozesse charakteristisch sind, wie allgemein konsistente Materialdicke und/oder komplementäre Gestaltungen, die an beiden Seiten des Materials vorhanden sind (wie eine Eintiefung in einer Fläche des Materials, die auch eine Erhöhung in der gegenüberliegenden Fläche des Materials ist).
Die Bipolarplatten können auch Kühlmittelströmungskanäle aufweisen. Die Bipolarplatten-Baugruppen, die geprägte Reaktandenplatten aufweisen, können Kühlmittelsträmungskanäle aufweisen, die zwischen den zusammengebauten Reaktandenplatten geformt sind, wobei die Strömungskanäle zumindest teilweise durch die gegenüberliegende Seite der Reaktandenströmungskanäle jeder Reaktandenplatte geformt sind.
1 ist ein teilweiser Schnitt durch eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels 10, der eine Bipolarplatten-Baugruppe 20 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 10 kann zwei MEAs 12 und 14 für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel 10 aufweisen. Jede MEA 12 und 14 kann eine Elektrolytmembran, eine anodenseitige Katalysatorschicht und eine kathodenseitige Katalysatorschicht aufweisen. Eine anodenseitige Gasdiffusionsmedium-(GDM)-Schicht 16 kann benachbart der MEA 12 positioniert sein, und eine kathodenseitige GDM-Schicht 18 kann benachbart der MEA 14 positioniert sein. Die GDM-Schichten 16 und 18 können poröse Schichten sein, die für einen Eingangsgastransport zu und Wassertransport von den MEAs 12 und 14 sorgen. In der Technik sind verschiedene Vorgehensweisen zur Abscheidung der Katalysatorschichten auf den Membranen der MEAs 12 und 14 und/oder auf den GDM-Schichten 16 und 18 bekannt.
Die Bipolarplatten-Baugruppe 20 kann zwischen den GDM-Schichten 16 und 18 positioniert sein. Die Bipolarplatten-Baugruppe 20 kann eine Anodenreaktandenplatte (oder Anodenseite) 22 und eine Kathodenreaktandenplatte (oder Kathodenseite) 24 aufweisen. Bei einer Ausführungsform können die Reaktandenplatten und jegliche darin enthaltenen Merkmale durch einen Prägeprozess geformt oder anderweitig hergestellt werden, um geprägte Reaktandenplatten zu formen. Die Anodenplatte 22 kann eine Reaktandenseite 26 und eine Kühlmittelseite 28 aufweisen. Die Kathodenplatte 24 kann auch eine Reaktandenseite 30 und eine Kühlmittelseite 32 aufweisen. Die Reaktandenplatten 22 und 24 können zumindest teilweise allgemein parallele Anodengasströmungskanäle 34 und allgemein parallele Kathodengasströmungskanäle 36 definieren. Die Anodenströmungskanäle 34 können eine Wasserstoffströmung zu der Anodenseite der MEA 12 bereitstellen, und die Kathodenströmungskanäle 36 können eine Luft- oder Sauerstoffströmung zu der Kathodenseite der MEA 14 bereitstellen. Die Reaktandenplatten 22 und 24 können zumindest teilweise Kühlmittelströmungskanäle 38 definieren, die zwischen den Reaktandenplatten angeordnet sind, durch die ein Kühlfluid strömen kann, um zu helfen, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 und seiner verschiedenen Komponenten zu kühlen oder anderweitig zu steuern.
2 zeigt einen teilweisen Schnitt durch eine andere Ausführungsform des Brennstoffzellenstapels 10, der eine Bipolarplatten-Baugruppe 20 aufweist, wobei gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen aus der Ausführungsform von 1 bezeichnet sind. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform sind die Reaktandenplatten 22, 24 benachbart zueinander in einer verschachtelten Konfiguration angeordnet, jedoch kann der Brennstoffzellenstapel anderweitig viele derselben Komponenten und Merkmale, wie bei der in 1 gezeigten und beschriebenen Ausführungsform, aufweisen. Eine verschachtelte Konfiguration, wie diejenige, die in 2 gezeigt ist, kann in einem aktiven Gebiet einer Brennstoffzelle verwendet werden (das aktive Gebiet kann allgemein innerhalb desselben projizierten Bereiches der Brennstoffzelle wie die MEAs liegen). Wie gezeigt ist, kann die verschachtelte Konfiguration die Gesamtdicke einer einzelnen Brennstoffzelle im Vergleich zu einer nicht verschachtelten Konfiguration, wie der, die in 1 gezeigt ist, reduzieren und kann dadurch auch die gesamte Höhe und Dicke des Brennstoffzellenstapels reduzieren. Selbstverständlich stellt dies nur ein Beispiel einer Konfiguration mit verschachtelter Bipolarplatte dar, und es sind andere möglich. Jede Bipolarplatte, ob verschachtelt oder nicht verschachtelt, geprägt oder anderweitig geformt, kann einen Nutzen aus den hier dargestellten Lehren ziehen.
In den Figuren nicht gezeigt, jedoch optional in dem Brennstoffzellenstapel enthalten sind Unterdichtungen, die zusammen mit den MEAs und/oder den GDM-Schichten zwischen benachbarten Bipolarplatten 20 in dem Brennstoffzellenstapel 10 angeordnet sein können. Eine typische Unterdichtung ist allgemein so geformt oder konfiguriert, dass sichergestellt wird, dass die leitenden Komponenten benachbarter Bipolarplatten nicht miteinander in Kontakt treten. In dem aktiven Gebiet benachbarter Bipolarplatten können die MEAs und GDMs die Bipolarplatten voneinander trennen, während die Unterdichtung die Bipolarplatten voneinander in anderen (nicht aktiven) Bereichen der Bipolarplatten trennen kann. Die Unterdichtungen können aus nicht leitenden und/oder impermeablen Materialien geformt sein, wie gewissen polymeren Materialien. Bei einer Ausführungsform können die Unterdichtungen aus einem Material auf Polyimid-Basis aufgebaut sein, wie Kapton^®, können jedoch auch aus einer Mehrzahl geeigneter polymerer und/oder nicht polymerer Materialien bestehen. Die Unterdichtung kann einen Film aufweisen oder in der Form eines Films vorliegen, der eine Dicke im Bereich von etwa 25 bis etwa 75 μm besitzt. Er kann allgemein in der Form seiner benachbarten Bipolarplatten mit einem Ausschnitt in dem Bereich der MEA und/oder des GDM und anderen Ausschnitten vorliegen, die beispielsweise Sammleröffnungen in den Bipolarplatten entsprechen.
Bei jeder der obigen Ausführungsformen und bei anderen Ausführungsformen können die Anodenströmungskanäle 34 in Fluidkommunikation mit einem Anodensammler an jedem Ende der Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels 10 stehen, wobei ein Anodensammler die Anodengasströmung zur Verteilung derselben an die Anodengasströmungskanäle 34 aufnehmen kann und der andere Anodensammler das Anodenabgas von den Anodenströmungskanälen aufnehmen kann. Gleichermaßen können die Kathodengasströmungskanäle 36 in Fluidkommunikation mit einem Kathodensammler an jedem Ende der Bipolarplatten des Stapels 10 stehen, und die Kühlströmungskanäle 38 können in Fluidkommunikation mit einem Kühlmittelsammler an jedem Ende der Bipolarplatten des Stapels 10 stehen.
Die 3 und 4 zeigen Draufsichten der Reaktandenseiten beispielhafter Anoden- und Kathodenreaktandenplatten 22 bzw. 24, von denen jede ein aktives Gebiet 52, nicht aktive Gebiete 54, Sammleröffnungen 60–70 und Tunnelgebiete 72–78 aufweisen. Die Reaktandenplatten 22 und 24 können durch Schweißen oder ein anderes geeignetes Mittel aneinander befestigt sein, wobei deren jeweilige Reaktandenseiten voneinander wegweisen, um eine Bipolarplatten-Baugruppe zu bilden, die ferner Kühlmittelströmungskanäle aufweist, die zwischen den Reaktandenplatten 22, 24 geformt sind. Einige der Strömungskanäle können eine verschachtelte Konfiguration in Übereinstimmung mit der Diskussion oben aufweisen, wobei dies jedoch nicht notwendig ist.
Das aktive Gebiet 52 kann eine allgemein rechtwinklige Form besitzen, die der Größe und Form der MEAs entspricht, die benachbart der Bipolarplatten-Baugruppe in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, und kann Anoden- und Kathodenreaktandenströmungskanäle 34 und 36 aufweisen, die in jeweiligen Reaktandenplatten 22 und 24 geformt sind. Nicht aktive Gebiete 54 können an gegenüberliegenden Enden jeder Reaktandenplatte angeordnet sein, wie gezeigt ist. Diese Gebiete können auch als Zufuhrgebiete bekannt sein, da sie Abschnitte von Reaktandenströmungskanälen 34 und 36 aufweisen können und Reaktandenfluide während des Brennstoffzellenbetriebs zu dem aktiven Gebiet 52 zuführen und Reaktandenfluide von dem aktiven Gebiet 52 wegführen können.
Sammleröffnungen 60–70 können Anodensammleröffnungen 60, 62; Kathodensammleröffnungen 64, 66; und Kühlmittelsammleröffnungen 68, 70 aufweisen. Anodensammleröffnungen 60, 62 können eine Anodeneinlasssammleröffnung 60 bzw. eine Anodenauslasssammleröffnung 62 aufweisen. Kathodensammleröffnungen 64, 66 können eine Kathodeneinlasssammleröffnung 64 bzw. eine Kathodenauslasssammleröffnung 64 aufweisen. Kühlmittelsammleröffnungen 68. 70 können Kühlmitteleinlasssammleröffnungen 68 bzw. Kühlmittelauslasssammleröffnungen 70 aufweisen. Einlasssammleröffnungen 60, 64 und 68 und Auslasssammleröffnungen 62, 66 und 70 können an gegenüberliegenden Enden jeder Reaktandenplatte angeordnet sein.
Allgemein können ähnliche Sammleröffnungen allgemein miteinander ausgerichtet werden, wenn die Reaktandenplatten in die Bipolarplatten-Baugruppen zusammengebaut werden und wenn die Bipolarplatten-Baugruppen in den Brennstoffzellenstapel zusammengebaut werden. Benachbarte Bipolarplatten-Baugruppen in dem Brennstoffzellenstapel können dazwischen angeordnete Sammlerdichtungen aufweisen, die jede benachbarte Sammleröffnung umgeben können. Zusammengenommen können gleiche Sammleröffnungen benachbarter oder aufeinander folgender Bipolarplatten-Baugruppen in dem Brennstoffzellenstapel zusammen mit den Sammlerdichtungen, die einander entsprechen, zumindest teilweise Reaktandensammler für den Brennstoffzellenstapel definieren. Beispielsweise kann eine Reihe von Anodeneinlasssammleröffnungen 60, die allgemein miteinander in dem Brennstoffzellenstapel ausgerichtet sind, zusammen mit den Sammlerdichtungen, die zwischen benachbarten Bipolarplatten-Baugruppen 20 angeordnet sind und jede benachbarte Anodeneinlasssammleröffnung 60 umgeben, einen Anodeneinlasssammler des Brennstoffzellenstapels 10 bilden.
Ähnliche Beschreibungen gelten für Anodenauslasssammler, Kathodeneinlass- und Auslasssammler sowie Kühlmitteleinlass- und -auslasssammler. Derartige Reaktandeneinlasssammler können entlang der Länge des Brennstoffzellenstapels verlaufen, um Reaktandengase, wie Wasserstoff-Brennstoff oder sauerstoffhaltige Gase, an die einzelnen Brennstoffzellen in einer parallelen Anordnung zu liefern. Gleichermaßen können derartige Reaktandenauslasssammler entlang der Länge des Brennstoffzellenstapels verlaufen, um Reaktanden oder Nebenproduktgase, wie überschüssigen Wasserstoffbrennstoff, überschüssige sauerstoffbeladene Gase oder Wassernebenprodukte, von den einzelnen Brennstoffzellen in einer parallelen Anordnung zu entfernen. Kühlmittelsammler arbeiten auf eine ähnliche Weise bei der Bereitstellung und Entfernung von Kühlmittel von den einzelnen Brennstoffzellen in einer parallelen Weise.
Wie mit der beispielhaften Anordnung der Sammleröffnungen in den 3–4 gezeigt ist, können Bipolarplatten-Baugruppen eine Gegenstromanordnung aufweisen. Dies bedeutet, Anodengase strömen in einer Richtung über die Anodenreaktandenplatte 22, und Kathodengase strömen in der entgegengesetzten Richtung über die Kathodenreaktandenplatte 24. Bei anderen Ausführungsformen können die Sammleröffnungen eine gleichstromige Anordnung aufweisen, bei der Anoden- und Kathodengase über die Bipolarplatte in derselben Richtung strömen. Wie gezeigt ist, stehen das Kühlmittelfluid und das Kathodenfluid in einer gleichstromigen Anordnung, wobei jedoch andere Anordnungen möglich sind.
Selbstverständlich müssen, damit die Anoden- und Kathodengase ihren Weg über die Oberflächen der Bipolarplatten von den Einlasssammlern zu den Auslasssammlern über ihre jeweiligen Reaktandenströmungskanäle 34 und 36 nehmen, die Gase zuerst über die jeweiligen Sammlerdichtungen transportiert werden; d. h. von einer Sammlerseite der Dichtungen zu einer Strömungskanalseite der Dichtungen an der Einlassseite und von der Strömungskanalseite der Dichtungen zu der Sammlerseite der Dichtungen an der Auslassseite.
Tunnelgebiete 72–78 können die Reaktandensammler des Brennstoffzellenstapels fluidtechnisch mit ihren geeigneten Reaktandenströmungskanälen 34, 36 verbinden, um Reaktandenfluide von einer Seite der jeweiligen Sammlerdichtungen zu der anderen zu transportieren. Das Tunnelgebiet 72 kann zwischen der Anodeneinlasssammleröffnung 60 und den Anodenströmungskanälen 34 angeordnet sein, und das Tunnelgebiet 74 kann zwischen der Anodenauslasssammleröffnung 62 und den Strömungskanälen 34 angeordnet sein. Das Tunnelgebiet 76 kann zwischen der Kathodeneinlasssammleröffnung 64 und den Kathodenströmungskanälen 36 angeordnet sein, und das Tunnelgebiet 78 kann zwischen der Kathodenauslasssammleröffnung 66 und den Strömungskanälen 36 angeordnet sein. Wie bei dieser Ausführungsform gezeigt ist, können die Tunnelgebiete in Fluidkommunikation mit den nicht aktiven Gebieten der Bipolarplatten-Baugruppe stehen. Jedoch können andere Ausführungsformen eine direkte Fluidkommunikation zwischen den Brennstoffzellenstapelsammlern und aktiven Gebieten der Bipolarplatte über die Tunnelgebiete aufweisen.
Mehrere konkurrierende Faktoren können helfen, die Konfiguration der Tunnelgebiete zu bestimmen. Ein Faktor kann darin bestehen, dass die Tunnelgebiete jegliche Beschränkung auf die Fluidströmung minimieren, wodurch Druckverluste in dem Brennstoffzellenstapel minimiert werden. Ein anderer Faktor kann darin bestehen, dass die Tunnelgebiete gegenüber Prägen oder anderen Herstelltoleranzen unempfindlich sind, wodurch eine zuverlässige Leistungsfähigkeit ermöglicht und der Gebrauch kostengünstiger Herstelltechniken zugelassen wird. Eine noch weitere Betrachtung kann darin bestehen, dass Anheftpunkte zur Wasseransammlung minimiert werden, um eine bessere Niedrigleistungs- und Gefrierleistungsfähigkeit bereitzustellen und eine Blockierung von Reaktandenströmungskanälen zu minimieren, die insbesondere an der Kathodenseite durch Wasser, das sich an den Tunnelgebieten anheftet, bewirkt werden kann. Wie es hier offenbart ist, besteht ein Weg zur Reduzierung von Anheftpunkten darin, Tunnelgebiete so zu konfigurieren, dass sie in so wenig Höhenniveaus des Brennstoffzellenstapels wie möglich (die Niveaus, die in der Stapelrichtung vorhanden sind), vorhanden sind; d. h. der Pfad der Fluide muss, um von einer Seite der Sammlerdichtung zu der anderen zu gelangen, so wenig Höhenänderungen oder andere Fluidrichtungsänderungen wie möglich haben.
Nun Bezug nehmend auf 5 können die Tunnelgebiete, beispielsweise die Gebiete 74 und 76, wie gezeigt ist, seitlich außerhalb eines abgedichteten Kühlmittelbereichs 80 vorhanden sein, der bei diesem Beispiel die Kühlmittelströmungskanalbereiche zwischen den Reaktandenplatten und den Kühlmittelsammleröffnungen 68 enthält. Die Dichtung, die den abgedichteten Kühlmittelbereich definiert, ist in gestrichelten Linien 82 gezeigt. Die Dichtung 82 kann zwischen den Anoden- und Kathodenreaktandenplatten der Bipolarplatten-Baugruppe 20 geformt werden und kann eine kontinuierliche Schweifnaht, einen Klebstoff, einen elastomeren oder einen anderen Typ von Dichtungselement oder eine beliebige andere geeignete Dichtung aufweisen oder daraus geformt sein. 5 zeigt auch beispielhafte Stellen von Sammlerdichtungen 84. Die Sammlerdichtungen 84 können ihre jeweiligen Sammleröffnungen umgeben und können einen Abschnitt aufweisen, der in einem der Tunnelgebiete liegt. Die Sammlerdichtungen 84 können eine Vielzahl von Formen annehmen, einschließlich vorgeformter Dichtungselemente und/oder vor Ort gehärteter (cure-in-place (CIP)) elastomerer Materialien, wie Materialien auf Silikonbasis, UV-härtbare Materialien oder andere Materialien. Ein vor Ort härtbares Material kann in der Form einer viskosen Flüssigkeit aufgetragen werden, die so strömen kann, dass sie mit der Form oder den Formen der Tunnel übereinstimmt, auf die sie aufgetragen werden kann, bevor sie härtet. Allgemein können vorgeformte Dichtungselemente ebenfalls entsprechende Entlastungsbereiche enthalten, um verschiedene Tunnelgebietsmerkmale, wie nachfolgend beschrieben ist, anzupassen, oder können aus Materialien mit geeignet geringem Durometer aufgebaut sein, um mit derartigen Tunnelgebietsmerkmalen übereinzustimmen. CIP-Materialien können auf die gewünschte Anoden- und/oder Kathodenseite einzelner Bipolarplatten zum Zusammenbau in einem Brennstoffzellenstapel aufgetragen werden. Die CIP-Materialien können vor einem Brennstoffzellenstapelzusammenbau aushärten, wobei es jedoch möglich ist, Nassdichtungen zu bilden, die nach einem Stapelzusammenbau aushärten können. Selbstverständlich sind dies nur einige Beispiele von Dichtungen und Dichtungsstellen. Andere Dichtungen können zwischen den Bipolarplattenhälften und/oder zwischen benachbarten Platten in dem Stapel enthalten sein. Beispielsweise können zusätzliche Sammlerdichtungen (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die die Kühlmittelsammleröffnungen umgeben, um eine Kühlmittelströmung zu isolieren, wobei diese in Kühlmittelsammlern und Kühlmittelströmungskanälen und weg von den Reaktandenströmungskanälen und der Atmosphäre gehalten wird. Ähnlicherweise können zusätzliche Dichtungen (nicht gezeigt) zwischen den Reaktandenplatten einer gegebenen Bipolarplatten-Baugruppe enthalten sein, die um jede Reaktandensammleröffnung angeordnet sind, um Reaktandengase von der Atmosphäre zu isolieren.
Nun Bezug nehmend auf 6 ist ein Abschnitt eines beispielhaften Tunnelgebiets gezeigt. Das jeweilige Tunnelgebiet, das bei diesem Beispiel gezeigt ist, ist von der Anodenseite einer beispielhaften Bipolarplatten-Baugruppe 20 gezeigt, die die beispielhaften Anoden- und Kathodenreaktandenplatten der 3 und 4, die aneinander befestigt sind, aufweist. In dem Tunnelgebiet 74 können Kühlmittelseiten 28, 32 der Anoden- und Kathodenreaktandenplatten 22, 24 allgemein eng benachbart zu und einander gegenüberliegend angeordnet sein. Ein oder mehrere Tunnel 86 können in bevorzugt nur einer der Reaktandenplatten gebildet sein. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Tunnel 86 nur in der Anodenplatte 22 in der Form länglicher Einsenkungen gebildet, während die benachbarten Abschnitte der Kathodenplatte 24 im Wesentlichen flach oder planar sind. Jedoch können die Tunnel 86 alternativ nur in der Kathodenplatte 24 oder in beiden Platten 22, 24 geformt sein.
Der in 6 gezeigte Pfeil gibt die Richtung der Fluidströmung von der Reaktandenströmungskanalseite der Dichtung 84 zu der Sammlerseite der Dichtung in Richtung der Anodenauslasssammleröffnung 62 und ihrem entsprechenden Sammler an. Die Tunnel 86 können geradlinige Tunnel sein, wie gezeigt ist, was bedeutet, dass sie ”geradlinig” durch die Sammlerdichtung 84 ohne Höhenänderung verlaufen. Eine ähnliche oder bei einigen Ausführungsformen eine identische Konfiguration kann in dem Tunnelgebiet 72 benachbart dem Anodeneinlasssammler verwendet werden, so dass die Fluidströmung in der entgegengesetzten Richtung durch das Tunnelgebiet strömen würde. Tatsächlich kann es nützlich sein, identische Tunnelgebietskonfigurationen benachbart der Einlass- und Auslasssammler zur Symmetrie zu verwenden, so dass die Anoden- und Kathodenplatten in eine Bipolarplatte zusammengebaut werden können, die dieselbe Konfiguration besitzt, sogar wenn eine der Reaktandenplatten um 180 Grad gedreht ist. Und eine Bipolarplatten-Baugruppe, die so konstruiert ist, kann in einem Brennstoffzellenstapel eingebaut werden, wenn sie um 180 Grad gedreht wird, ohne die Struktur des Stapels zu ändern. Die Verwendung identischer Tunnelgebiete benachbart der Einlass- und Auslasssammleröffnungen kann ebenfalls bei dem Ausgleich der Fluidströmung in und aus den jeweiligen Brennstoffzellen nützlich sein. Ferner kann die Konfiguration von 6 in anderen Tunnelgebieten verwendet werden, wie denen benachbart Kathodeneinlass- und Auslasssammleröffnungen.
Beispielhafte Tunnel 86 können ein allgemein flaches Oberteil 88 mit schräg gestellten Seiten 90, wie gezeigt ist, aufweisen, jedoch können die Tunnel 86 eine beliebige Anzahl von Gestaltungen oder Formen annehmen. Ein Durchlass 92 kann in der Anodenplatte 22 geformt sein, um eine Fluidströmung in den (oder aus dem) Tunnel 86 zu unterstützen. Anders gesagt kann der Durchlass 92 eine Fluidströmung von der Reaktandenseite 26 der Anodenplatte 22 zu der Kühlmittelseite 28 der Anodenplatte 22 (oder umgekehrt) und dadurch durch oder unterhalb der Dichtung 84 unterstützen. Der Tunnel kann einen vergrößerten Abschnitt 94 benachbart dem Durchlass 92 aufweisen, wie gezeigt ist. Der vergrößerte Abschnitt 94 kann helfen, zu verhindern, dass andere Brennstoffzellenkomponenten, wie eine Unterdichtung, in den Durchlass 92 eindringen oder diesen blockieren, und/oder er kann mit bestimmten Querschnitten ausgelegt sein, die die gesamte Fluidströmung in der Brennstoffzelle verbessern. Der Durchlass 92 kann den Tunnel 82 quer kreuzen, wie gezeigt ist, und kann sich in der Anodenplatte 22 über die Breite des Tunnels 86 hinaus erstrecken. Das Tunnelgebiet kann auch Stützmerkmale 96, 98 aufweisen. Die Stützmerkmale können in der Form von Einsenkungen oder Erhebungen vorliegen und können verschiedene Gestaltungen und Größen aufweisen, wie kleine kreisförmige Merkmale 96 und/oder relativ größere tropfenförmige Merkmale 98, wobei sich die letzteren zwischen benachbarten Tunneln 86, wie gezeigt ist, erstrecken können. Die Stützmerkmale können allgemein nahe und um die Durchlässe 92 herum angeordnet sein und können helfen, jegliche Blockierung der Durchlässe durch andere Schichten der Brennstoffzelle zu minimieren oder zu verhindern, wie eine Unterdichtung, eine Elektrolytmembran, eine Ausgleichsscheibe oder eine andere Komponente in dem Tunnelgebiet.
Die Dichtung 84 kann einen Abschnitt aufweisen, der in dem Tunnelgebiet und über die Tunnel 86 angeordnet ist, und kann weiterhin seine jeweilige Sammleröffnung, in diesem Fall die Anodenauslasssammleröffnung 62, umgeben. Wie vorher beschrieben wurde, kann die Dichtung 84 durch Austeilen, Formen, Drucken oder ein sonstiges Anfügen an die Platte geformt werden. Die Dichtung 84 kann auch in der Form eines vorgeformten Dichtungselements, das gestanzt, geformt, etc. ist, vorliegen, das Ausschnitte oder Vertiefungen zur Aufnahme der Tunnel 86 aufweisen kann, jedoch nicht muss.
Die Ausführungsform von 6, bei der Tunnel 86 in nur einer der Reaktandenplatten geformt sind, ist unempfindlich gegenüber der Plattenmontagetoleranz. Mit anderen Worten müssen Tunnel 86 bei dieser beispielhaften Konfiguration nicht mit irgendeinem bestimmten Merkmal der anderen Reaktandenplatte während der Bipolarplattenmontage ausgerichtet werden. Die geradlinige Tunnelkonfiguration, die in 6 gezeigt ist, kann aus mehreren Gründen nützlich sein, einschließlich minimierten Druckverlusten, minimierten Wasseranheftpunkten und reduzierter Gesamttunnelgebietsgröße, um einige zu nennen. Eine derartige Tunnelgebietskonfiguration kann auch mit Bipolarplattenkonfigurationen mit geringem Profil nützlich sein, wie denen, die verschachtelte Reaktandenplatten besitzen, da die geradlinige Konfiguration eine geringere Gesamthöhe oder -dicke besitzen kann, als bisher bekannte Tunnelkonfigurationen, die gewöhnlich mehrere Höhenänderungen und daher erforderlichen erhöhten Raum in der Dickenrichtung der Brennstoffzellen und in der Längenrichtung der Bipolarplatten enthielten.
Ein anderes Merkmal in den Tunnelgebieten, das in dieser und anderen Ausführungsformen, die hier offenbart sind, gezeigt ist, ist eine Sammlerdichtungsausrichtung, wie beispielsweise in Verbindung mit den 7–9 weiter gezeigt und nachfolgend beschrieben ist. Derartige geradlinige Tunnelkonfigurationen können im Gegensatz zu bisher bekannten Tunnelkonfigurationen, die mehrere Höhenänderungen aufweisen, helfen, dass aufeinander folgende Sammlerdichtungen, wie die Dichtungen 84, allgemein miteinander in der Stapelrichtung ausgerichtet werden. Bisher bekannte Tunnelkonfigurationen erforderten oftmals, dass Sammlerdichtungen von einer Bipolarplatte in einem Stapel zu dem nächsten versetzt wurden, um eine konstante Höhe entlang der gesamten kontinuierlichen Dichtung zu ermöglichen. Von versetzten Sammlerdichtungen ist es bekannt, dass sie manchmal Schwierigkeiten mit der gleichförmigen Übertragung von Dichtungslasten an benachbarte Platten in dem Stapel bewirken. Eine derartige ungleichförmige Lastverteilung kann zu mangelhaften Dichtungen wie auch einem potentiellen elektrischen Kurzschluss zwischen benachbarten Bipolarplatten führen. Geradlinige Tunnelkonfigurationen, die hier offenbart sind, können ermöglichen, dass Sammlerdichtungen miteinander für eine gleichförmigere Lastverteilung in dem Stapel, wenn sie zusammengebaut und komprimiert werden, ausgerichtet werden.
7 zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform eines Bipolarplattentunnelgebiets, das geradlinige Tunnel aufweist, wobei die Element-Bezugszeichen, die dazu verwendet werden, gleiche Merkmale der vorher diskutierten Ausführungsformen zu bezeichnen, um 100 erweitert worden sind. Der Abschnitt des beispielhaften Brennstoffzellenstapels 110, der gezeigt ist, kann eine Mehrzahl von Bipolarplatten-Baugruppen 120 aufweisen, die Tunnelgebiete enthalten. Wie bei der Ausführungsform von 6 befinden sich die gezeigten Tunnelgebiete benachbart der Anodenauslasssammleröffnungen 162, jedoch kann eine derartige Tunnelkonfiguration selbstverständlich benachbart anderen Sammleröffnungen verwendet werden. Jede Bipolarplatten-Baugruppe 120 kann Anoden- und Kathodenreaktandenplatten 122, 124 aufweisen. Die Tunnel 186 sind in der Anodenplatte 122 geformt, während der benachbarte Abschnitt der Kathodenplatte 124 flach ist. Wie vorher diskutiert ist, können die Tunnel 186 alternativ in der Kathodenplatte 124 oder in beiden Reaktandenplatten geformt sein. Die Durchlässe 192 können in der Anodenplatte 122 geformt sein, um eine Fluidströmung von der Reaktandenseite der Anodenplatte 122 zu der Kühlmittelseite der Anodenplatte 122 (oder umgekehrt) und daher durch oder unterhalb der Dichtung 184 zu unterstützen. Der Durchlass 192 kann den Tunnel 186 quer kreuzen, wie gezeigt ist, und sich in der Anodenplatte 122 über die Breite des Tunnels 186 hinaus erstrecken. Bei dieser Ausführungsform ist der Durchlass 192 irgendwo entlang der Länge des Tunnels 186 zwischen Enden anstatt an einem Ende des Tunnels angeordnet, wie es bei der Ausführungsform von 6 der Fall war. Das Tunnelgebiet kann auch Stützmerkmale aufweisen, die nahe und um den Durchlass 192 herum angeordnet sind, die hier jedoch nicht gezeigt sind. Andere Brennstoffzellenstapelkomponenten sind in der Figur ebenfalls der Deutlichkeit halber weggelassen worden. Bei dieser Ausführungsform sind die Tunnel 186, die in aufeinander folgenden oder benachbarten Bipolarplatten in dem Stapel geformt sind, allgemein miteinander in der Stapelrichtung ausgerichtet, und die geradlinige Tunnelkonfiguration kann für ausgerichtete Sammlerdichtungen 184 von Platte zu Platte in dem Stapel sorgen.
8 zeigt eine alternative beispielhafte Ausführungsform des Abschnitts des Brennstoffzellenstapels 110 von 7. In dieser bestimmten Figur sind die Dichtungen 184 noch nicht komprimiert worden, um mit ihren jeweiligen Tunneln 186 übereinzustimmen. Bei dieser Ausführungsform sind die Tunnel 186 aufeinander folgende Bipolarplatten in dem Stapel in Bezug zueinander in der Stapelrichtung versetzt, während aufeinander folgende Dichtungen 184 in dem Stapel miteinander ausgerichtet bleiben. Eine derartige versetzte Konfiguration für die Tunnel kann nützlich sein, um Kompressionslasten in den jeweiligen Dichtungen 184 besser zu verteilen, und kann auch zum Ausstoß von flüssigem Wasser in den Sammler und zur gleichförmigen Verteilung von Reaktandengasen nützlich sein.
Bezug nehmend auf 9 ist ein Abschnitt eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels 210 gezeigt, der eine andere Ausführungsform eines Tunnelgebiets 278 aufweist. Das jeweilige Tunnelgebiet, das bei diesem Beispiel gezeigt ist, ist von der Kathodenseite 224 der Bipolarplatten 220 gezeigt. Das Tunnelgebiet 278 kann zwischen der Kathodenauslasssammleröffnung 262 und den Kathodengasströmungskanälnen der Bipolarplatte liegen. In dem beispielhaften Tunnelgebiet 278 können Kühlmittelseiten 228, 232 der Anoden- und Kathodenreaktandenplatten 222, 224 allgemein eng benachbart zu und einander gegenüberliegend angeordnet sein. Es können ein oder mehrere Tunnel 286 in bevorzugt nur einer der Reaktandenplatten geformt sein. In der gezeigten Ausführungsform sind die Tunnel 286 nur in den Anodenplatten 222 in der Form länglicher Einsenkungen geformt, während die benachbarten Abschnitte der Kathodenplatten 224 im Wesentlichen flach oder planar sind. Selbstverständlich können die Tunnel 286 alternativ nur in den Kathodenplatten 224 oder in beiden Platten 222, 224 geformt sein. Der in 9 gezeigte Pfeil gibt die Richtung der Fluidströmung von der Reaktandenströmungskanalseite der Sammlerdichtungen 284 zu der Sammlerseite der Sammlerdichtungen 284 und zu den Kathodenauslasssammleröffnungen 262 und dem entsprechenden Sammler an. Jedoch kann dieselbe Konfiguration in dem Tunnelgebiet benachbart dem Kathodeneinlasssammler verwendet werden, so dass die Fluidströmung in der entgegengesetzten Richtung durch das Tunnelgebiet erfolgt. Tatsächlich kann es nützlich sein, identische Tunnelgebietskonfigurationen benachbart den Einlass- und Auslasssammlern zur Symmetrie zu verwenden, wie vorher diskutiert wurde.
Wie in 9 gezeigt ist, kann die Gesamtform der Tunnel 286 ähnlich der in anderen offenbarten Ausführungsformen sein, wie eine längliche Einsenkung. Bei dieser Ausführungsform können Durchlässe 292 in den Kathodenplatten 222 geformt sein, um eine Fluidströmung in die (oder aus den) Tunneln 286 zu unterstützen. Anders gesagt können die Durchlässe 292 eine Fluidströmung von der Reaktandenseite 230 der Kathodenplatte 224 zu der Kühlmittelseite 232 der Kathodenplatte 224 (oder umgekehrt) und daher durch und unterhalb der Sammlerdichtungen 284 unterstützen. Bei dieser Ausführungsform kreuzen im Gegensatz zu einigen vorher beschriebenen Ausführungsformen die Durchlässe 292 nicht quer die Tunnel 286. Vielmehr sind sie in der entgegengesetzten Reaktandenplatte geformt, in diesem Fall der Kathodenplatte. Die Durchlässe 292 können Durchbrechungen umfassen, die durch die geeigneten Reaktandenplatten in dem projizierten Bereich der gegenüberliegenden Tunnel 286 geformt sind. Das beispielhafte Tunnelgebiet 278 kann auch Stützmerkmale 296, 298 aufweisen. Die Stützmerkmale können in der Form von Einsenkungen oder Erhebungen vorliegen und verschiedene Formen und Größen besitzen, wie kleine kreisförmige Merkmale 296 und/oder relativ größere längliche oder ovale Merkmale 298, wobei sich die letzteren zwischen benachbarten Durchlässen 292 erstrecken können. Die Trägermerkmale können allgemein nahe und um die Durchlässe 292 herum angeordnet sein und können helfen, jegliche Blockierung der Durchlässe durch andere Schichten der Brennstoffzelle zu minimieren oder zu verhindern, wie der Unterdichtung, der Elektrolytmembran, einer Ausgleichsscheibe oder anderen Komponenten.
Bei der Ausführungsform von 9 kann das Tunnelgebiet immer noch als ”geradlinige” Konfiguration betrachtet werden, sogar obwohl voraussichtlich eine Höhenänderung vorhanden ist, wenn Fluid von der Reaktandenseite zu der Kühlmittelseite der Reaktandenplatte auf seinem Weg in die Tunnel 286 strömt, da die Tunnel 286 geradlinig durch die Sammlerdichtungen verlaufen. Sogar diese Ausführungsform, die eine einzelne Höhenänderung aufweist, kann eine Verbesserung gegenüber bisher bekannten Tunnelgebieten darstellen, die typischerweise mehrere Höhenänderungen aufweisen, damit Fluide von einer Seite der Sammlerdichtung zu der anderen gelangen. Somit weist diese Ausführungsform von 9 viele der Vorteile und Nutzen der anderen geradlinigen Tunnelkonfigurationen, wie hier offenbart ist, auf, wie minimierte Druckverluste, minimierte Wasseranheftpunkte und reduzierte Gesamt-Tunnelgebietsgröße hinsichtlich Länge und Höhe, um einige zu nennen.
Bei einer Ausführungsform weisen alle Tunnelgebiete, die in einer gegebenen Bipolarplatte enthalten sind, Tunnel auf, die nur an einer Seite der Bipolarplatte, beispielsweise in nur einer der Anoden- oder Kathodenreaktandenplatten geformt sind. Beispielsweise können alle Tunnelgebiete, die in einer gegebenen Bipolarplatten-Baugruppe enthalten sind, Tunnel aufweisen, die nur in der Anodenreaktandenplatte geformt sind. Insbesondere kann eine Tunnelgebiets-Ausführungsform, wie die, die in 6 gezeigt ist, benachbart den Anodeneinlass- und -auslasssammlern und Sammleröffnungen enthalten sein, und eine Tunnelgebiets-Ausführungsform, wie die, die in 9 gezeigt ist, kann benachbart den Kathodeneinlass- und -auslasssammlern und Sammleröffnungen enthalten sein. Bei einer derartigen Anordnung, bei der alle Tunnel in den verschiedenen Tunnelgebieten der Bipolarplatte in nur einer der Reaktandenplatten der Bipolarplatte geformt sind, sind die Sammlerdichtungen stark vereinfacht, da eine Dichtung auf eine einzelne Seite jeder Bipolarplatte aufgetragen werden kann. Wenn beispielsweise eine CIP-Dichtung verwendet wird, kann sie über die Oberteile aller der Tunnel durch Auftragen derselben auf eine einzelne Seite der Bipolarplatten-Baugruppe aufgetragen werden. Bei der eben beschriebenen Ausführungsform, bei der die Tunnel alle in der Anodenreaktandenplatte geformt sind, kann die CIP-Dichtung beispielsweise nur auf die Anodenseite der Bipolarplatte aufgetragen werden. Selbstverständlich können stattdessen alle Tunnel alternativ in der Kathodenreaktandenplatte geformt werden, um dieselben Vorteile zu erreichen.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Variationen derselben nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Produkt, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl benachbarter Bipolarplatten und einem Reaktandensammler, wobei der Reaktandensammler eine erste Sammleröffnung in jeder der Bipolarplatten und eine Sammlerdichtung umfasst, die zwischen jeder benachbarten Bipolarplatte angeordnet ist und jede ihrer benachbarten ersten Sammleröffnungen umgibt, wobei jede Bipolarplatte ferner Reaktandenströmungskanäle und ein erstes Tunnelgebiet umfasst, das die Reaktandenströmungskanäle fluidtechnisch mit dem Reaktandensammler verbindet, und wobei zumindest eines der ersten Tunnelgebiete einen geradlinigen Tunnel umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei jede Sammlerdichtung des Reaktandensammlers miteinander in der Stapelrichtung ausgerichtet ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei der Reaktandensammler ein Anodeneinlasssammler oder ein Kathodeneinlasssammler ist und der Brennstoffzellenstapel ferner einen entsprechenden Anodenauslasssammler oder Kathodenauslasssammler umfasst, wobei der Auslasssammler eine zweite Sammleröffnung in jeder der Bipolarplatten und eine Sammlerdichtung umfasst, die zwischen jeder benachbarten Bipolarplatte angeordnet ist und jede ihrer benachbarten zweiten Sammleröffnungen umgibt, wobei jede Bipolarplatte ferner ein zweites Tunnelgebiet umfasst, das die Reaktandenströmungskanäle fluidtechnisch mit dem Auslasssammler verbindet, und wobei zumindest eines der zweiten Tunnelgebiete einen geradlinigen Tunnel umfasst.
Produkt nach Anspruch 3, wobei die ersten und zweiten Tunnelgebiete in jeder Bipolarplatte im Wesentlichen identisch zueinander sind.
Produkt nach Anspruch 3, wobei jede Bipolarplatte symmetrisch ist, so dass sie bei Anordnung in dem Brennstoffzellenstapel um 180 Grad in der Ebene der Bipolarplatte gedreht werden kann, ohne die Struktur des Brennstoffzellenstapels zu ändern.
Produkt nach Anspruch 3, wobei die Reaktandensammler Anodensammler sind, die Reaktandenströmungskanäle Anodenströmungskanäle sind und der Brennstoffzellenstapel ferner umfasst: einen Kathodeneinlasssammler mit einer dritten Sammleröffnung in jeder der Bipolarplatten und einer Sammlerdichtung, die zwischen jeder benachbarten Bipolarplatte angeordnet ist und jede ihrer benachbarten dritten Sammleröffnungen umgibt; und einen Kathodenauslasssammler mit einer vierten Sammleröffnung in jeder der Bipolarplatten und einer Sammlerdichtung, die zwischen jeder benachbarten Bipolarplatte angeordnet ist und jede ihrer benachbarten vierten Sammleröffnungen umgibt; wobei jede Bipolarplatte ferner Kathodenströmungskanäle und ein drittes und viertes Tunnelgebiet umfasst, die die Kathodenströmungskanäle fluidtechnisch mit dem Kathodeneinlasssammler bzw. dem Kathodenauslasssammler verbinden, wobei zumindest eines von jedem der dritten und vierten Tunnelgebiete einen geradlinigen Tunnel umfasst.
Produkt nach Anspruch 6, wobei jede Bipolarplatte eine Anodenreaktandenplatte und eine Kathodenreaktandenplatte umfasst und alle Tunnel in nur einer der Reaktandenplatten geformt sind.
Produkt nach Anspruch 6, wobei jede Bipolarplatte eine Anodenreaktandenplatte und eine Kathodenreaktandenplatte umfasst, und wobei die Tunnel der Tunnelgebiete, die die Anodensammler mit den Anodengasströmungskanälen fluidtechnisch verbinden, in der Anodenreaktandenplatte geformt sind und die Tunnel der Tunnelgebiete, die die Kathodensammler mit den Kathodengasströmungskanälen fluidtechnisch verbinden, in der Kathodenreaktandenplatte geformt sind, so dass keine Höhenänderung vorhanden ist, wenn Fluid durch jedes Tunnelgebiet während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels strömt.
Produkt nach Anspruch 6, wobei die Dichtungen von jedem der Sammler miteinander in der Stapelrichtung ausgerichtet sind.
Produkt nach Anspruch 6, wobei jedes Tunnelgebiet eine Mehrzahl geradliniger Tunnel umfasst und die Tunnel benachbarter Bipolarplatten in dem Stapel in Bezug zueinander in der Stapelrichtung entweder ausgerichtet oder versetzt sind.