DE112005002035T5

DE112005002035T5 - Dichtungskonfiguration für Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE112005002035T5
Application number: DE112005002035T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey A. Rock; Matthew J. Beutel; Scott C. Ofslager
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: DE112005002035B4; US20060046128A1; CN101432905A; WO2006025909A2; JP4772794B2; CN101432905B; JP2008511120A; WO2006025909A3; US7592088B2

Abstract

Dichtungskonfiguration für eine Brennstoffzelle, die eine erste Bipolarplatte und eine zweite Bipolarplatte aufweist, von denen jede auf entgegengesetzten Seiten der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist, wobei jede der ersten und zweiten Bipolarplatte einen ausgenommenen Bereich aufweist, der entlang eines Randes derselben angeordnet ist, wobei die Dichtungskonfiguration umfasst:
eine erste Unterabdichtung, die an den ausgenommenen Bereich der ersten Bipolarplatte geklebt ist;
eine zweite Unterabdichtung, die an den ausgenommenen Bereich der zweiten Bipolarplatte geklebt ist, wobei die erste und zweite Unterabdichtung auf entgegengesetzten Seiten der Membranelektrodenanordnung angeordnet sind; und
ein Dichtungselement, das in den ausgenommenen Bereichen in der ersten und zweiten Bipolarplatte und zwischen der ersten und zweiten Unterabdichtung angeordnet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und insbesondere eine Dichtungskonfiguration, die in einem Brennstoffzellenstapel enthalten ist.
HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen protonendurchlässigen, nichtelektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer Seite den Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und/oder Öffnungen enthalten, die darin ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen.
Die elektrisch leitenden Platten, die die MEAs schichtartig anordnen, können eine Gruppierung aus Nuten in ihren Seiten enthalten, die ein Reaktandenströmungsfeld definieren, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (d.h. Wasserstoff und Sauerstoff in der Form von Luft) über die Oberflächen der jeweiligen Kathode und Anode zu verteilen. Diese Reaktandenströmungsfelder umfassen allgemein eine Vielzahl von Stegen, die eine Vielzahl von Strömungskanälen dazwischen definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden von einer Versorgungssammelleitung an einem Ende der Strömungskanäle zu einer Austragssammelleitung an dem entgegengesetzten Ende der Strömungskanäle strömen.
Typischerweise sehen nichtleitende Abdichtungen oder Versiegelungen eine Dichtung wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Platten des Brennstoffzellenstapels vor. Zusätzlich sehen die Dichtungen einen Strömungspfad für die gasförmigen Reaktanden von der Versorgungssammelleitung zu den Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren vor. Herkömmlich umfassen die Dichtungen ein geformtes nachgiebiges Material, wie Gummi. Da die Dichtungen aus einem nachgiebigen Material bestehen und eine schmale Wanddicke besitzen, kann eine Handhabung derselben bei dem Montageprozess schwierig sein.
6 zeigt eine Dichtungsanordnung nach dem Stand der Technik für einen Brennstoffzellenstapel, der eine erste Bipolarplatte 110 und eine zweite Bipolarplatte 112 aufweist, von denen jede mit einem ausgenommenen Nutabschnitt 114 bzw. 116 um einen Umfang derselben versehen ist. Eine MEA 118 ist zwischen den Bipolarplatten 110, 112 angeordnet. Die MEA 118 umfasst eine Ionomerschicht 118A, die auf einer Seite einen Anodenkatalysator und auf einer zweiten Seite einen Kathodenkatalysator aufweist. An den Rändern der MEA 118 umfasst die Ionomerschicht 118A eine erste Unterabdichtungsschicht 122 und eine zweite Unterabdichtungsschicht 124. Die Ionomerschicht mit den zwei Unterabdichtungsschichten 122, 124 ist an einer der Bipolarplatten 110 in dem ausgenommenen Bereich 114 angeordnet. Ein Dichtungselement 126 ist in den ausgenommenen Bereichen 114, 116 der gegenüberliegenden Bipolarplatten 110, 112 angeordnet und presst gegen die Unterabdichtungsschicht 124. Die Konstruktion des Standes der Technik, wie in 6 dargestellt ist, sieht einen relativ großen Bypassbereich 128 vor, in den ein Anoden- oder Kathodengas eintreten kann und der an einer Randfläche des Dichtungselements 126 angeordnet ist.
Bei der Montage eines Brennstoffzellenstapels, der die in 6 gezeigte Dichtungskonfiguration verwendet, werden die Komponenten visuell positioniert, während der Brennstoffzellenstapel mit sehr begrenzten Steuerungen für die Positionierung der Komponenten montiert wird. Die relative Feuchte in dem Montagebereich kann die Größe der Membran 118 ändern, was aufgrund dessen, dass die Unterabdichtungen 122, 124 mit der Membran 118 verbunden sind, erfordert, dass die Feuchte in dem Produktionsbereich gesteuert wird, um die Empfindlichkeit gegenüber Variationen der relativen Feuchte der Umgebung zu reduzieren. Mit anderen Worten kann, wenn sich die feuchteabhängige PEM-Membran unter sich ändernden Feuchtebedingungen entweder ausdehnt oder zusammenzieht, die Anordnung des Abdichtungsmaterials relativ zu den Strömungsdurchgängen in den Bipolarplatten geändert werden.
Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung eine Dichtungskonfiguration für eine Brennstoffzelle vor, die eine erste Bipolarplatte und eine zweite Bipolarplatte aufweist, von denen jede auf entgegengesetzten Seiten einer MEA angeordnet ist, wobei jede der ersten und zweiten Bipolarplatte einen ausgenommenen Bereich aufweist, der entlang eines Randes derselben angeordnet ist. Die Dichtungskonfiguration weist eine erste Unterabdichtung, die an den ausgenommenen Bereich der ersten Bipolarplatte angeklebt ist, und eine zweite Unterabdichtung auf, die an den ausgenommenen Bereich der zweiten Bipolarplatte angeklebt ist. Die erste und zweite Unterabdichtung sind auf entgegengesetzten Seiten der Membranelektrodenanordnung angeordnet. Ein Dichtungselement ist in den ausgenommenen Bereichen in der ersten und zweiten Bipolarplatte und zwischen der ersten und zweiten Unterabdichtung angeordnet. Die Konstruktion der vorliegenden Erfindung reduziert die Größe des Bypassbereiches, sieht eine bessere Steuerung der Positionen aller Komponenten vor und beseitigt Ausfälle aufgrund nicht korrekt positionierter Teile. Die Vorgehensweise reduziert ferner eine Empfindlichkeit gegenüber Variationen der relativen Feuchte der Umgebung und reduziert daher Herstellkosten durch Beseitigung des Bedarfs nach einer Feuchtesteuerung in dem Produktionsbereich.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Brennstoffzelle gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Schnittansicht einer Dichtungskonfiguration für eine Brennstoffzelle gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Schnittansicht einer Dichtungskonfiguration für eine Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine Schnittansicht einer Dichtungskonfiguration für eine Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine Schnittansicht einer Dichtungskonfiguration für eine Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
6 eine Schnittansicht einer Dichtungskonfiguration nach dem Stand der Technik ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Bezugnehmend auf die 1 und 2 wird nun die Dichtungskonfiguration für einen Brennstoffzellenstapel gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst eine beispielhafte Brennstoffzelle 10 eine erste Bipolarplatte 12 und eine zweite Bipolarplatte 14, die schichtartig mit einer Membranelektrodenanordnung 16 angeordnet sind. Eine erste Diffusionsmediumtafel 18 ist zwischen der ersten Bipolarplatte 12 und der MEA 16 angeordnet, während eine zweite Diffusionsmediumtafel 20 zwischen der zweiten Bipolarplatte 14 und der MEA 16 angeordnet ist. Eine erste Unterabdichtung 22 ist zwischen der ersten Bipolarplatte 12 und der MEA 16 angeordnet, während eine zweite Unterabdichtung 24 sich zwischen der zweiten Bipolarplatte 14 und der MEA 16 erstreckt.
Wie es in der Technik bekannt ist, umfasst jede der Bipolarplatten 12, 14 ein Reaktandengasströmungsfeld 40, das durch eine Vielzahl von Stegen gekennzeichnet ist, die eine Vielzahl von Strömungskanälen definieren, durch die die Reaktandengase von einer Einlassplattengrenze 40a des Stapels zu einer Austragsplattengrenze 40b strömen. Die Richtung der Strömung über jede Anoden- und Kathodenplatte verläuft allgemein von der Einlassplattengrenze 40a durch jeweilige Strömungsfelder zu der Auslassplattengrenze 40b. Eine Vielzahl von Versorgungssammelleitungsöffnungen 42a–42c ist in der Nähe des Außenrandes der Einlassplattengrenze 40a ausgebildet. Ähnlicherweise ist eine Vielzahl von Austragssammelleitungsöffnungen 44a–44c in der Nähe des Außenrandes der Auslassplattengrenze 40b ausgebildet. Genauer liefert die Versorgungssammelleitungsöffnung 42a Brennstoff (H₂) über die Anodenplatten und durch die Strömungskanäle und durch die Austragssammelleitungsöffnung 44a hinaus. Die Versorgungssammelleitungsöffnung 42b liefert Oxidationsmittel (O₂) über die Kathodenplatten durch die Strömungskanäle und aus der Austragssammelleitungsöffnung 44b hinaus. Schließlich liefert die Ver sorgungssammelleitungsöffnung 42c Kühlmittel zwischen Seiten der Anoden- und Kathodenplatte der Bipolarplatte nach Bedarf, und Kühlmittel verlässt den Stapel bei einer Austragssammelleitungsöffnung 44c. Es sei zu verstehen, dass die Sammelleitungsorte bezüglich der gezeigten Orte variieren können.
Die Diffusionsmedien 18, 20, die an den Strömungskanälen der Bipolarplatten 12, 14 angeordnet sind, helfen, die Reaktandengase an die MEA 16 zu verteilen, wie es in der Technik bekannt ist. Eine Dichtung 26 ist in ausgenommenen Bereichen 28, 30 (siehe 2) der Bipolarplatten 12 bzw. 14 angeordnet, die um einen Umfang der Bipolarplatten 12, 14 führt.
Wie in 2 gezeigt ist, ist die Brennstoffzelle 10 in einem gestapelt angeordneten Zustand gezeigt, in dem die MEA 16 zwischen der ersten Bipolarplatte 12 und der zweiten Bipolarplatte 14 angeordnet ist. Die Ionomerschicht 16A der MEA 16 verläuft zwischen den Unterabdichtungsschichten 22, 24 bis zu dem Punkt P, an dem die Unterabdichtungsschichten 22, 24 in Richtung der ausgenommenen Bereiche 28, 30 der Bipolarplatten 12 bzw. 14 umgeleitet werden. Die Unterabdichtungen 22, 24 sind mit einer Schicht aus Klebstoff 32 versehen, der die Unterabdichtungen an die Bipolarplatten 12, 14 klebt. Alternativ dazu könnte sich der Klebstoff 32 an der Platte in den Dichtungsbereichen befinden, an denen das Abdichtungsmaterial einen Kontakt mit dem Klebstoff während der Positionierung der Unterabdichtung herstellen würde. Die Unterabdichtungen 22, 24 liegen auch teilweise über den Diffusionsmediumschichten 18, 20 und halten die Diffusionsmediumschichten an der Stelle. Die Unterabdichtungen 22, 24 können aus bekannten Abdichtungsmaterialien hergestellt sein. Die Dichtung 26 ist zwischen den Unterabdichtungen 22, 24 angeordnet. Die Rippen des elastomeren Dichtungselements 26 werden komprimiert, um eine Kompressionsdichtung zwischen den Bipolarplatten 12, 14 vorzusehen. Die auseinander laufenden Unterabdichtungen 22, 24 sehen reduzierte Bypassbereiche 36 im Vergleich zu dem großen Bypassbereich 128 des Standes der Technik vor, wie in 3 gezeigt ist. Die Bypassbereiche 36 sind die Bereiche, die den Reaktandengasen (und der Reaktandengasströmung/Bypass) in dem abgedichteten Bereich zwischen den Bipolarplatten ausgesetzt sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die MEA 16 mit einer Ionomerschicht 16A versehen, die einen Anodenkatalysator 16B auf ihrer einen Seite und einen Kathodenkatalysator 16C auf ihrer zweiten Seite aufweist. Die Ionomerschicht 16A führt zusammen mit der Unterabdichtung 22 in den ausgenommenen Bereich 28 der Bipolarplatte 12. Bei der Ausführungsform von 2 setzt sich die Ionomerschicht 16A zu dem Außenrand der Platte 12 fort und steht in Kontakt mit dem Dichtungselement 26. Gemäß einer zweiten Ausführungsform, wie in 3 gezeigt ist, endet die Ionomerschicht bei oder nahe dem Punkt P, an dem sich die beiden Unterabdichtungsschichten 22, 24 trennen. Unter Bezugnahme auf 4 ist eine dritte Ausführungsform gezeigt, bei der sich die Ionomerschicht 16A zu dem Außenrand der Platte 12 und einem schmalen Ring 50 einer zusätzlichen Unterabdichtung zwischen der Ionomerschicht 16A und dem Dichtungselement 26 fortsetzt. Der Ring 50 führt einwärts und endet vor dem Punkt P, an dem sich die Unterabdichtungsschichten 22, 24 trennen. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform, bei der eine vollständige Schicht einer zusätzlichen Unterabdichtung 52 zwischen der Ionomerschicht 16A und dem Dichtungselement 26 vorgesehen ist. Die Unterabdichtung 52 befindet sich benachbart der Unterabdichtungsschicht 24 und trennt sich davon bei Punkt P, so dass die Unterabdichtungsschichten 24 und 52 auf entgegengesetzten Seiten des Dichtungselements 26 angeordnet sind.
Mit der Dichtungskonfiguration der vorliegenden Erfindung, wie in den 1 und 2 gezeigt ist, werden die Bypassbereiche minimiert, während auch eine bessere Steuerung der Positionen aller Komponenten vorgesehen wird, was zu der Beseitigung von Ausfällen aufgrund nicht korrekt positionierter Teile (Positionierung des Reaktandenfensters des aktiven Bereiches der Unterabdichtung relativ zu den Platenmerkmalen) führt. Die vorliegende Erfindung reduziert auch die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der relativen Feuchte der Umgebung, die die Größe und Form der MEA 16 beeinflussen können, und reduziert daher Herstellkosten durch Beseitigung des Bedarfs nach einer Feuchtesteuerung in dem Produktionsbereich. Mit dem System der vorliegenden Erfindung werden die Unterabdichtungskomponenten 22, 24 an den Bipolarplatten 12, 14 im Gegensatz zu der MEA 16 angebracht. Durch Anbringen der Unterabdichtungen 22, 24 an den Bipolarplatten 12, 14 wird die Ausrichtung der Sammelleitungsöffnungen in der Unterabdichtung trotz Variationen in der Größe, die bei der MEA 16 aufgrund der relativen Feuchte der Umgebungsluft in dem Produktionsbereich auftreten können, besonders gesteuert.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen werden nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.
Zusammenfassung
Es ist eine Dichtungskonfiguration für einen Brennstoffzellenstapel vorgesehen, der eine erste Bipolarplatte und eine zweite Bipolarplatte aufweist, von denen jede an entgegengesetzten Seiten einer Membranelektrodenanordnung angeordnet ist. Die Dichtungskonfiguration umfasst eine erste Unterabdichtung, die an einen ausgenommenen Bereich der ersten Bipolarplatte geklebt ist, und eine zweite Unterabdichtung, die an einen ausgenommenen Bereich der zweiten Bipolarplatte geklebt ist, wobei die erste und zweite Unterabdichtung auf entgegengesetzten Seiten der Membranelektrodenanordnung angeordnet sind. Ein Dichtungselement ist in den ausgenommenen Bereichen der ersten und zweiten Bipolarplatte und zwischen der ersten und zweiten Unterabdichtung angeordnet. Die Dichtungskonfiguration minimiert die Größe der Bypassbereiche um den Dichtungsumfang herum und sieht eine bessere Steuerung der Positionen aller Komponenten während der Montage des Brennstoffzellenstapels vor. Die Vorgehensweise reduziert auch die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der relativen Feuchte der Umgebung und reduziert Herstellkosten durch Beseitigung des Bedarfs nach einer Feuchtesteuerung in dem Produktionsbereich.

Claims

Dichtungskonfiguration für eine Brennstoffzelle, die eine erste Bipolarplatte und eine zweite Bipolarplatte aufweist, von denen jede auf entgegengesetzten Seiten der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist, wobei jede der ersten und zweiten Bipolarplatte einen ausgenommenen Bereich aufweist, der entlang eines Randes derselben angeordnet ist, wobei die Dichtungskonfiguration umfasst: eine erste Unterabdichtung, die an den ausgenommenen Bereich der ersten Bipolarplatte geklebt ist; eine zweite Unterabdichtung, die an den ausgenommenen Bereich der zweiten Bipolarplatte geklebt ist, wobei die erste und zweite Unterabdichtung auf entgegengesetzten Seiten der Membranelektrodenanordnung angeordnet sind; und ein Dichtungselement, das in den ausgenommenen Bereichen in der ersten und zweiten Bipolarplatte und zwischen der ersten und zweiten Unterabdichtung angeordnet ist.
Dichtungskonfiguration nach Anspruch 1, ferner mit einem ersten Diffusionsmedium, das zwischen der ersten Unterabdichtung und der ersten Bipolarplatte angeordnet ist, und einem zweiten Diffusionsmedium, das zwischen der zweiten Unterabdichtung und der zweiten Bipolarplatte angeordnet ist.
Dichtungskonfiguration nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Unterabdichtung einen Randabschnitt der Membranelektrodenanordnung überlappen.
Dichtungskonfiguration nach Anspruch 1, wobei die Membranelektrodenanordnung eine Ionomerschicht aufweist, die sich zwischen dem ausgenommenen Bereich in der ersten Bipolarplatte und dem Dichtungselement erstreckt.
Dichtungskonfiguration nach Anspruch 4, ferner mit einer dritten Unterabdichtung, die zwischen der Ionomerschicht und dem Dichtungselement angeordnet ist.
Dichtungskonfiguration nach Anspruch 5, wobei die dritte Unterabdichtung eine Öffnung in einem Zentralabschnitt derselben aufweist, wobei ein Innenrand bei ungefähr einem Innenrand des ausgenommenen Bereiches der ersten Bipolarplatte endet.
Dichtungskonfiguration nach Anspruch 5, wobei die dritte Unterabdichtung zwischen der Membranelektrodenanordnung und der zweiten Unterabdichtung angeordnet ist.