DE69706065T2

DE69706065T2 - Integrierte fluidverteilerschicht für reaktant und kühlmittel für eine brennstoffzelle mit einer membran-elektroden-einheit

Info

Publication number: DE69706065T2
Application number: DE69706065T
Authority: DE
Inventors: Chan; Y. Chow; Boguslaw Wozniczka
Original assignee: Ballard Power Systems Inc; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: BDF IP Holdings Ltd
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2017-12-12
Also published as: EP0947019A1; CA2274974A1; DE69706065D1; WO1998028809A1; JP2001506399A; AU5396698A; EP0947019B1; US5804326A; CA2274974C; AU716927B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine kompakte Kühlvorrichtung für einen elektrochemischen Brennstoffzellenaufbau. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf elektrochemische Festpolymer- Brennstoffzellenaufbauten, bei denen Kühlmittel- und Reaktandenstrompassagen in einer gemeinsamen Separatorschicht angeordnet sind und die Kühlmittelstrompassagen nicht mit dem elektrochemisch aktiven Bereich der angrenzenden Brennstoffzelle überlappen.

Hintergrund der Erfindung

Elektrochemische Brennstoffzellen wandeln Brennstoff und Oxidationsmittel in Elektrizität und Reaktionsprodukt um. Elektrochemische Festpolymer- Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen einen Membranelektrodenaufbau ("MEA"), der eine Festpolymerelektrolyt-Membran oder Ionenaustauschmembran beinhaltet, die zwischen zwei Elektroden angeordnet ist. Jede Elektrode beinhaltet Elektrokatalysatormaterial, das ein elektrochemisch aktives Gebiet definiert, um die gewünschte elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle zu induzieren. Die Elektroden sind elektrisch gekoppelt, um einen Pfad zum Führen von Elektronen zwischen den Elektroden durch eine externe Last bereitzustellen.
In typischen Brennstoffzellen ist der MEA zwischen zwei Separatorschichten angeordnet. Jede Separatorschicht beinhaltet typischerweise eine im Wesentlichen fluidundurchlässige, elektrisch leitfähige Separatorplatte und eine Schicht aus einem porösen, elektrisch leitfähigen Material, das zwischen der Platte und der den Elektrokatalysator enthaltenden Elektrode angeordnet ist. Das poröse, elektrisch leitfähige Material kann mit dem MEA verfestigt sein. Die Platte wirkt als Stromkollektor und stellt einen Träger für den Membranelektrodenaufbau bereit. Die Platte ist typischerweise eine Fluidflussfeldplatte mit wenigstens einem darin ausgebildeten Strömungskanal, um den Brennstoff oder das Oxidationsmittel zu der jeweiligen Elektrode zu leiten, nämlich der Anode auf der Brennstoffseite und der Kathode auf der Oxidationsmittelseite in einigen Festpolymer- Brennstoffzellen sind keine Kanäle in den Oberflächen der Separatorplatte vorgesehen, und die Reaktanden werden durch Passagen in der porösen Schicht geleitet, die zum Beispiel in der porösen Schicht ausgebildete Kanäle oder Vertiefungen beinhalten kann oder einfach aus den verbundenen Poren oder Zwischenräumen des porösen Materials bestehen kann. Beispiele für derartige Brennstoffzellen sind im US-Patent Nr. 5 252 410 zum Beispiel in Spalte 3, Zeile 42 bis Spalte 5, Zeile 27 und in Fig. 3 beschrieben.
An der Kathode wandert der Brennstofffluidstrom durch die poröse Schicht und wird an dem Elektrokatalysator der Anode oxidiert. An der Kathode wandert der Oxidationsmittelfluidstrom durch die poröse Schicht und wird an dem Elektrokatalysator der Kathode reduziert. Die Ionenaustauschmembran leitet Ionen von der einen Elektrode zur anderen und isoliert im Wesentlichen den Brennstoffstrom auf der Anodenseite von dem Oxidationsmittelstrom auf der Kathodenseite.
Zwei oder mehr Brennstoffzellen können miteinander verbunden sein, im Allgemeinen in Serie, manchmal jedoch parallel, um die Gesamtleistungsabgabe des Aufbaus zu erhöhen. Brennstoffzellen sind üblicherweise in Brennstoffzellenstapeln elektrisch in Reihe geschaltet, indem einzelne Brennstoffzellenaufbauten gestapelt werden. In derartigen in Reihe geschalteten Brennstoffzellenstapeln kann eine Seite einer gegebenen Separatorplatte als Anodenplatte für eine Zelle dienen, und die andere Seite der Platte kann als Kathodenplatte für die benachbarte Zelle dienen.
Die elektrochemische Reaktion, die in einer Brennstoffzelle auftritt, ist im Allgemeinen exotherm, und es sind Systeme vorgesehen, um die Temperatur der Brennstoffzelle zu steuern. In herkömmlichen Festpolymer- Brennstoffzellenstapeln wird eine Kühlung der Brennstoffzellen typischerweise durch Bereitstellen von Kühlschichten erreicht, die zwischen benachbarten Paaren von gestapelten Brennstoffzellen angeordnet sind. Die Kühlschicht ist vom Design her häufig ähnlich einer Reaktandenflussfeldplatte, bei der ein Kühlfluid ("Kühlmittel"), typischerweise Wasser, von einem Einlassanschluss zugeführt und über die Kühlplatte hinweg in Kanälen zu einem Auslassanschluss geleitet wird. Dieser Typ von Brennstoffzellenstapel erfordert typischerweise drei Platten zwischen jedem benachbarten MEA, nämlich eine Anodenplatte, eine Kathodenplatte und eine Kühlplatte, wie in Fig. 3a gezeigt. In einigen Fällen ist es möglich, das Kühlmittelflussfeld auf der rückwärtigen Seite von einer der Reaktandenplatten (Anoden- oder Kathodenplatte) zu konfigurieren, wobei in diesem Fall lediglich zwei Platten pro sich wiederholender Einheit erforderlich sind, wie in Fig. 3b gezeigt. Eine derartige doppelseitige Konfiguration erfordert jedoch im Allgemeinen eine dickere Platte, um einen Durchtritt des Kühlmittels durch die Dicke der Platte in den Reaktandenstrom im Wesentlichen zu eliminieren. Manchmal ist eine Kühlplatte zwischen jedem zweiten Paar von Brennstoffzellen eingebaut, wie in Fig. 3c gezeigt.
In jeder der in den Fig. 3a bis 3c gezeigten herkömmlichen Anordnungen fließt das Kühlmittel in einer anderen Ebene als die Reaktanden, in Passagen, die sich mit den Elektroden der Brennstoffzelle und den Reaktandenstrompassagen überlappen (der Ausdruck "überlappen", wie er hierin verwendet wird, bedeutet darüberliegen und dazu ausgerichtet sein, jedoch nicht notwendigerweise in Kontakt dazu sein). Im Betrieb wird die in den Brennstoffzellen erzeugte Wärme vom Kühlmittel durch die Dicke der Platten hindurch in "z-Richtung", das heißt senkrecht zu der Ebene der Brennstoffzellenaufbauten abgeführt. Die Wärme wird dann auf das zirkulierende Kühlmittel übertragen und von diesem abgeführt.
Es ist wünschenswert, die Leistungsdichte von Brennstoffzellenstapeln zu erhöhen, indem das Volumen und Gewicht jeder einzelnen der sich wiederholenden Brennstoffzelleneinheiten des Stapels verringert wird. Die vorliegende integrierte Reaktanden- und Kühlmittelfluidflussfeldschicht eliminiert die getrennten Kühlschichten, die mit herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln verknüpft sind, indem die Kühlmittelstrompassagen in die gleiche Schicht eingebaut werden, in der die Reaktandenstrompassagen vorgesehen sind. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Verwendung von nur einer Fluidflussfeldplatte pro Brennstoffzelle in einem Stapel. Dies verringert das Stapelgewicht und -volumen, wodurch die Leistungsdichte des Stapels erhöht wird, und vereinfacht außerdem die Herstellbarkeit des Stapels, da nur ein Typ von Fluidflussfeldplatte erforderlich ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein elektrochemischer Brennstoffzellenaufbau mit einer integrierten Reaktanden- und Kühlmittelfluidflussfeldschicht beinhaltet ein Paar Separatorschichten und einen Membranelektrodenaufbau, der zwischen die Separatorschichten eingefügt ist. Der Membranelektrodenaufbau beinhaltet ein Paar Elektroden und eine dazwischen eingefügte Ionenaustauschmembran, wobei die Elektroden einen damit verknüpften Elektrokatalysator aufweisen, der ein elektrochemisch aktives Gebiet definiert. Jede der Separatorschichten beinhaltet einen Reaktandenbereich, der mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet überlappt, und einen restlichen Bereich, der nicht mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet überlappt. Jede der Separatorschichten beinhaltet außerdem einen Reaktandenstromeinlass, einen Reaktandenstromauslass und wenigstens eine Reaktandenstrompassage, die mit einer der Elektroden in Fluidverbindung steht, um einen Fluidreaktandenstrom von dem Reaktandenstromeinlass zu dem Reaktandenstromauslass zu leiten. Ein überwiegender Teil der wenigstens einen Reaktandenstrompassage ist in dem Reaktandenbereich der Separatorschicht angeordnet. Wenigstens eine der Separatorschichten beinhaltet des Weiteren einen Kühlmittelstromeinlass, wenigstens einen Kühlmittelstromauslass und wenigstens eine Kühlmittelstrompassage, um einen Kühlmittelstrom von dem wenigstens einen Kühlmittelstromeinlass zu dem wenigstens einen Kühlmittelstromauslass zu leiten. Die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage ist lediglich in dem restlichen Bereich der Separatorschicht angeordnet und ist von der wenigstens einen Reaktandenstrompassage fluidgetrennt.
Die Separatorschicht kann eine oder mehrere diskrete Materialschichten beinhalten. In bevorzugten Ausführungsformen beinhaltet wenigstens eine der Separatorschichten eine im Wesentlichen fluidundurchlässige Platte mit einander entgegengesetzten planaren Hauptoberflächen. Das Plattenmaterial ist vorzugsweise elektrisch leitfähig und im Wesentlichen nicht porös.
In bevorzugten Ausführungsformen erstreckt sich die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage parallel zu den planaren Hauptoberflächen der Platte. Die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage kann wenigstens einen Kanal beinhalten, der in einer der Oberflächen der Platte ausgebildet ist. In ähnlicher Weise kann die wenigstens eine Reaktandenstrompassage wenigstens einen Kanal beinhalten, der in einer der Oberflächen der Platte ausgebildet ist. Somit kann die Platte darin ausgebildete Kühlmittelkanäle oder Reaktandenkanäle oder beides aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die Separatorschicht des Weiteren eine poröse Schicht, die zwischen den Reaktandenbereich der im Wesentlichen fluidundurchlässigen Platte und den Membranelektrodenaufbau eingefügt ist, und die wenigstens eine Reaktandenstrompassage beinhaltet die Porenräume der porösen Schicht. Die Oberfläche der Platte, die der porösen Schicht zugewandt ist, kann im Wesentlichen glatt sein oder kann darin ausgebildete Reaktandenstromkanäle aufweisen, wie vorstehend beschrieben. Die poröse Schicht kann optional Kanäle, Vertiefungen, Perforationen oder weitere derartige Strukturen aufweisen, die darin ausgebildet sind, um den Reaktandenfluss zwischen dem Reaktandenstromeinlass und dem Auslass zu erleichtern. Die poröse Schicht ist vorzugsweise elektrisch leitfähig. Geeignete Materialien umfassen zum Beispiel Kohlefaserpapier und elektrisch leitfähige oder nicht leitfähige Gewebe, Maschenwaren oder Textilerzeugnisse, die bevorzugt teilweise mit elektrisch leitfähigem Material gefüllt sind.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann der restliche Bereich der Separatorschicht die poröse Schicht beinhalten, und die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage kann eine Kühlmittelstromleitung oder ein hohles Rohr beinhalten, die bzw. das sich durch die poröse Schicht erstreckt und so den Kühlmittelstromeinlass und den Kühlmittelstromauslass in Fluidverbindung bringt, wobei die Leitung oder das Rohr im Wesentlichen fluidundurchlässige Wände aufweist. Alternativ können die Kühlmittelpassagen die Porenräume der porösen Schicht beinhalten (somit kann das Kühlmittel in der porösen Schicht strömen), vorausgesetzt die Kühlmittelpassagen sind lediglich in dem restlichen Bereich angeordnet und von den Reaktandenpassagen fluidgetrennt.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können die Einlässe und Auslässe von Kühlmittel- und Reaktandenstrom zum Beispiel Öffnungen beinhalten, die in den Separatorschichten ausgebildet sind (interne Anschlussöffnungen), oder sie können die Grenzfläche zwischen den Kanten der Separatorschichten und externe Anschlüsse beinhalten, die an den Kanten der Separatorschichten angebracht sind.
In alternativen Ausführungsformen erstreckt sich die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage durch die Platte der Separatorschicht hindurch von einer ihrer planaren Hauptoberflächen zu der anderen, wobei sich die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage im Wesentlichen senkrecht zu ihren planaren Hauptoberflächen erstreckt. Somit gibt es wenigstens eine Öffnung, die sich durch die Dicke des restlichen Bereichs der Separatorschicht hindurch erstreckt und durch die ein Kühlmittelstrom geleitet wird. Der restliche Teil kann eine Mehrzahl von nicht zusammenhängenden Bereichen beinhalten, von denen einige von dem Reaktandenbereich umgeben sind.
Ein elektrochemischer Brennstoffzellenstapel, der integrierte Reaktanden- und Kühlmittelfluid-Flussfeldschichten enthält, beinhaltet eine Mehrzahl von Brennstoffzellen und eine Separatorschicht, die zwischen jedes Paar benachbarter Brennstoffzellen eingefügt ist. Jede der Brennstoffzellen beinhaltet einen Membranelektrodenaufbau mit einem Paar von Elektroden und einer dazwischen eingefügten Ionenaustauschmembran, wobei die Elektroden einen damit verknüpften Elektrokatalysator aufweisen, der ein elektrochemisch aktives Gebiet definiert. Jede der Separatorschichten beinhaltet einen Reaktandenbereich, der mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet des Paars von Brennstoffzellen auf der jeweiligen Seite desselben überlappt, sowie einen restlichen Bereich, der nicht mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet überlappt. Jede der Separatorschichten beinhaltet des Weiteren einen ersten Reaktandenstromeinlass, einen ersten Reaktandenstromauslass und wenigstens eine erste Reaktandenstrompassage in Fluidverbindung mit einer Elektrode einer ersten Brennstoffzelle des Brennstoffzellenpaars, um einen ersten Reaktandenstrom von dem ersten Reaktandenstromeinlass zu dem ersten Reaktandenstromauslass zu leiten, wobei ein überwiegender Teil der wenigstens einen ersten Reaktandenstrompassage in dem Reaktandenbereich angeordnet ist. Jede der Separatorschichten beinhaltet des Weiteren einen zweiten Reaktandenstromeinlass, einen zweiten Reaktandenstromauslass und wenigstens eine zweite Reaktandenstrompassage in Fluidverbindung mit einer Elektrode einer zweiten Brennstoffzelle des Brennstoffzellenpaars, um einen zweiten Reaktandenstrom von dem zweiten Reaktandenstromeinlass zu dem zweiten Reaktandenstromauslass zu leiten, wobei ein überwiegender Teil der wenigstens einen zweiten Reaktandenstrompassage in dem Reaktandenbereich angeordnet ist. Jede der Separatorschichten beinhaltet des Weiteren wenigstens einen Kühlmittelstromeinlass, wenigstens einen Kühlmittelstromauslass und wenigstens eine Kühlmittelstrompassage, um einen Kühlmittelstrom von dem wenigstens einen Kühlmittelstromeinlass zu dem wenigstens einen Kühlmittelstromauslass zu leiten, wobei die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage lediglich in dem restlichen Bereich der Separatorschicht angeordnet und von der ersten und der zweiten Reaktandenstrompassage fluidgetrennt ist.
Die Separatorschichten können jeweils eine oder mehrere diskrete Materialschichten beinhalten, die zwischen jedes Paar benachbarter Brennstoffzellen eingefügt sind. (n einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet jede Separatorschicht eine im Wesentlichen fluidundurchlässige Platte mit einander entgegengesetzten planaren Hauptoberflächen.
In bevorzugten Ausführungsformen erstreckt sich die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage im Wesentlichen parallel zu den planaren Hauptoberflächen der Platte. Die Kühlmittelstrompassagen können Kanäle beinhalten, die in einer oder beiden Oberflächen der Platte ausgebildet sind. Die wenigstens eine erste Reaktandenstrompassage kann wenigstens einen Kanal beinhalten, der in einer der Oberflächen der Platte ausgebildet ist, und die wenigstens eine zweite Reaktandenstrompassage kann wenigstens einen Kanal beinhalten, der in der entgegengesetzten Oberfläche der Platte ausgebildet ist.
Wie vorstehend detaillierter beschrieben, kann die Separatorschicht des Weiteren eine poröse Schicht beinhalten, die zwischen die Platte und die erste Brennstoffzelle eingefügt ist, und die wenigstens eine erste Reaktandenstrompassage beinhaltet die Porenräume der porösen Schicht. Der restliche Bereich der Separatorschicht kann auch die poröse Schicht beinhalten, und die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage kann eine Kühlmittelstromleitung beinhalten, die sich durch die poröse Schicht hindurch erstreckt und so den Kühlmittelstromeinlass und den Kühlmittelstromauslass in Fluidverbindung bringt. Alternativ können die Kühlmittelpassagen die Porenräume der porösen Schicht beinhalten, vorausgesetzt die Kühlmittelpassagen sind lediglich in dem restlichen Bereich angeordnet und von den Reaktandenpassagen fluidgetrennt.
In alternativen Ausführungsformen erstreckt sich die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage durch die Platte jeder Separatorschicht hindurch von einer ihrer planaren Hauptoberflächen zu der anderen, wobei sich die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage im Wesentlichen senkrecht zu ihren planaren Hauptoberflächen erstreckt. Somit bilden justierte Öffnungen, die sich durch die Dicke des restlichen Bereichs jeder der Separatorschichten in dem Stapel erstrecken, Passagen, durch die ein Kühlmittelstrom geleitet wird. Der restliche Bereich jeder Separatorschicht kann eine Mehrzahl von nicht zusammenhängenden Gebieten beinhalten, von denen einige von dem Reaktandenbereich der Separatorschicht umgeben sind, so dass sich Kühlmittelpassagen senkrecht durch das aktive Gebiet der Membranelektrodenaufbauten hindurch erstrecken können.
In jeglicher der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann der Brennstoffzellenaufbau ein "Platten"-Aufbau sein, bei dem zwei oder mehr Membranelektrodenaufbauten in einer Ebene in einer Seite-an-Seite- Beziehung (angrenzend) angeordnet sind. In diesem Fall beinhaltet der Reaktandenbereich jeder Separatorschicht eine Mehrzahl von nicht zusammenhängenden Bereichen, wobei jeder Bereich mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet von einem der aneinander angrenzenden Membranelektrodenaufbauten überlappt.
In einigen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, dass der restliche Bereich der Separatorschicht von dem Reaktandenbereich der Separatorschicht elektrisch isoliert ist.
In jeglicher der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann das Kühlmittel eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Geeignete Kühlmittel beinhalten Wasser und Luft. Weitere geeignete Kühlmittel beinhalten Glycol enthaltende Flüssigkeiten und dielektrische Fluide, wie Mineralöle und Siliconöle, sind jedoch nicht darauf beschränkt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1a ist eine Querschnittseitenansicht eines herkömmlichen elektrochemischen Brennstoffzellenaufbaus (Stand der Technik), der ein Paar von Fluidflussfeldplatten beinhaltet.
Fig. 1b ist eine Querschnittseitenansicht eines herkömmlichen elektrochemischen Brennstoffzellenaufbaus (Stand der Technik), der ein Paar von Separatorplatten mit Reaktandenkanälen beinhaltet, die in Schichten aus porösem, elektrisch leitfähigem Schichtmaterial ausgebildet sind.
Fig. 2 ist eine isometrische Teilexplosionsansicht eines herkömmlichen Festpolymer-Brennstoffzellenstapels (Stand der Technik), die einen Membranelektrodenaufbau zeigt, der zwischen zwei Fluidflussfeldplatten eingefügt ist.
Fig. 3a bis 3c sind Querschnittseitenansichten, die drei verschiedene Konfigurationen von sich wiederholenden Brennstoffzellenaufbauten zeigen, die in herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln (Stand der Technik) zu finden sind.
Fig. 4 ist eine isometrische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels mit, einer integrierten Reaktanden- und Kühlmittelfluidflussschicht, die zwischen benachbarte Paare von Brennstoffzellen-Platten eingefügt ist.
Fig. 5 ist eine isometrische Explosionsansicht eines Teils des Brennstoffzellenstapels von Fig. 4.
Fig. 6 ist eine isometrische Explosionsansicht eines Teils eines Brennstoffzellenstapels mit einer einzigen integrierten Reaktanden- und Kühlmittelfluidflussschicht, die zwischen benachbarte Brennstoffzellenmembranelektrodenaufbauten eingefügt ist.
Fig. 7 ist eine schematische, isometrische Teilexplosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels mit einer integrierten Reaktanden- und Kühlmittelfluidflussschicht, die zwischen benachbarte Paare von Brennstoffzellenmembranelektrodenaufbauten eingefügt ist, wobei sich die Kühlmittelstrompassagen durch den Stapel hindurch im Wesentlichen senkrecht zu den planaren Hauptoberflächen der Stapelaufbauten erstrecken.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Zunächst auf Fig. 1a Bezug nehmend, beinhaltet ein herkömmlicher (Stand der Technik) elektrochemischer Brennstoffzellenaufbau 10 einen Membranelektrodenaufbau 12, der zwischen im Wesentlichen fluidundurchlässigen Platten 14 und 16 eingefügt ist. Der Membranelektrodenaufbau 12 besteht aus einer Ionenaustauschmembran 18, die zwischen zwei Elektroden, nämlich eine Anode 20 und eine Kathode 30, eingefügt ist. In herkömmlichen Brennstoffzellen beinhalten die Anode 20 und die Kathode 30 jeweils eine Schicht aus porösem, elektrisch leitfähigem Material 22 und 32, wie zum Beispiel Kohlefaserpapier oder Kohlenstoffgewebe, das ein damit verknüpftes Elektrokatalysatormaterial aufweist. Das Elektrokatalysatormaterial ist üblicherweise in einer dünnen Schicht 24 und 34 auf den Oberflächen der Elektroden 20 und 30 an der Grenzfläche zu der Membran 18 angeordnet. Die Stelle des Elektrokatalysators definiert das elektrochemisch aktive Gebiet des Brennstoffzellenaufbaus 10. Die Platten 14 und 16 weisen jeweils wenigstens einen seitlich offenen Kanal 14a beziehungsweise 16a auf, die in derjenigen Oberfläche ausgebildet sind, die dem Membranelektrodenaufbau 12 zugewandt ist. Nach Zusammenbau mit den zusammenwirkenden Oberflächen der Elektroden 20 und 30 definieren die Kanäle 14a und 16a Reaktandenstrompassagen für Oxidationsmittel- beziehungsweise Brennstoff-Fluidströme.
Fig. 1b zeigt einen herkömmlichen (Stand der Technik) elektrochemischen Brennstoffzellenaufbau 110, der einen Membranelektrodenaufbau 112 beinhaltet, der zwischen im Wesentlichen fluidundurchlässige Platten 114 und 116 eingefügt ist. Der Membranelektrodenaufbau 112 besteht aus einer Ionenaustauschmembran 118, die zwischen zwei Elektroden eingefügt ist, nämlich eine Anode 120 und eine Kathode 130, die jeweils eine Schicht aus porösem, elektrisch leitfähigem Material 122 und 132 sowie eine dünne Schicht aus einem Elektrokatalysatormaterial 124 und 134 beinhalten. Die Platten 114 und 116 weisen im Wesentlichen glatte Oberflächen auf. Die porösen Schichten 122 und 132 weisen optional Vertiefungen oder Kanäle 122a beziehungsweise 132a auf, die in derjenigen Oberfläche ausgebildet sind, die den Platten 114 und 116 zugewandt ist. Nach Zusammenbau mit den zusammenwirkenden Oberflächen der Platten 114 und 116 definieren die Kanäle 132a und 122a Reaktandenstrompassagen für Oxidationsmittel- beziehungsweise Brennstoff-Fluidströme. Reaktandenfluidströme können auch innerhalb der Porenräume der porösen Schichten 122 und 132 fließen.
Fig. 2 stellt einen herkömmlichen (Stand der Technik) Brennstoffzellenstapel 200 dar, der ein Paar Endplattenaufbauten 202 und 204 sowie eine Mehrzahl von gestapelten Brennstoffzellenaufbauten 210 beinhaltet. Zuganker 206 erstrecken sich zwischen den Endplattenaufbauten 202 und 204, um den Stapel 200 mit Befestigungsmuttern 207 in seinem zusammengebauten Zustand zu halten. Federn 208, die auf die Zuganker 206 aufgesteckt und zwischen die Befestigungsmuttern 207 und den Endplattenaufbau 202 eingefügt sind, üben in Längsrichtung eine elastische Druckkraft auf den Stapel aus. Reaktanden- und Kühlmittel-Fluidströme werden internen Anschlüssen und Passagen in dem Stapel 200 über Einlass- und Auslassöffnungen (nicht gezeigt) in dem Endplattenaufbau 204 zugeführt und aus diesen abgeführt.
Details der sich wiederholenden Einheit 211 von einzelnen Brennstoffzellenaufbauten 210, die den Stapel 200 bilden, sind in explodierter Form in Fig. 2 gezeigt. Jeder Brennstoffzellenaufbau 210 beinhaltet eine Kathodenflussfeldplatte 214, eine Anodenflussfeldplatte 216 und einen Membranelektrodenaufbau 212, der zwischen die Platten 214 und 216 eingefügt ist. Der Membranelektrodenaufbau 212 besteht aus einer Ionenaustauschmembran, die zwischen zwei Elektroden eingefügt ist, nämlich eine Anode und eine Kathode (Detail nicht gezeigt). Das elektrochemisch aktive Gebiet 213 des Membranelektrodenaufbaus 212 weist einen Elektrokatalysator auf (nicht gezeigt), der an beiden Membran-Elektroden-Grenzflächen angeordnet ist. Die Kathodenflussfeldplatte 214 weist eine Mehrzahl von seitlich offenen Kanälen 214a auf, die in derjenigen Oberfläche ausgebildet sind, die dem Membranelektrodenaufbau 212 zugewandt ist. Die Kanäle 214a queren den Bereich der Platte 214, der das elektrochemisch aktive Gebiet 213 überlagert und erstrecken sich von einer Oxidationsmittelstrom- Einlassanschlussöffnung 215 zu einer Oxidationsmittelstrom-Auslassanschlussöffnung (nicht gezeigt), die in der diagonal entgegengesetzten Ecke der Platte 214 ausgebildet ist. In ähnlicher Weise weist die Anodenflussfeldplatte 216 eine Mehrzahl von seitlich offenen Kanälen (nicht gezeigt) auf, die in derjenigen Oberfläche ausgebildet sind, die dem Membranelektrodenaufbau 212 zugewandt ist, und sich von einer Brennstoffstrom-Einlassanschlussöffnung 217 zu einer Brennstoffstrom-Auslassanschlussöffnung 219 erstrecken und den Bereich der Platte 216 queren, der mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet 213 überlappt.
Die Kathodenplatte 214 weist außerdem eine Mehrzahl von seitlich offenen Kanälen (nicht gezeigt) auf, die in der entgegengesetzt liegenden Oberfläche derselben ausgebildet sind (dem Membranelektrodenaufbau 212 abgewandt). Nach Zusammenbau mit der zusammenwirkenden Oberfläche der nächsten Anodenfluidflussfeldplatte 216a definieren die Kanäle Kühlmittelflusspassagen, die den Bereich der Platte 214 queren, der mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet überlappt, um einen Kühlmittelstrom von einer Einlassanschlussöffnung 221 zu einer Auslassanschlussöffnung (nicht gezeigt) zu leiten.
Wenn der Stapel 200 in seinem zusammengebauten, komprimierten Zustand fixiert ist, sind die internen Brennstoff-, Oxidationsmittel- und Kühlmittelanschlüsse und -passagen typischerweise durch Dichtungen auf den Platten und/oder auf den Membranelektrodenaufbauten voneinander fluidgetrennt.
Die Fig. 3a bis 3c sind Querschnittseitenansichten, die drei Beispiele von Konfigurationen sich wiederholender Einheiten des Brennstofzellenaufbaus zeigen, die in herkömmlichen (Stand der Technik) Brennstoffzellenstapeln zu finden sind. Fig. 3a stellt eine Konfiguration dar, bei der drei Platten pro Membranelektrodenaufbau verwendet werden. Jede sich wiederholende Einheit 310 des Brennstoffzellenaufbaus beinhaltet einen Membranelektrodenaufbau 312, der zwischen ein Paar von im Wesentlichen fluidundurchlässigen Oxidationsmittel- und Brennstofffluidflussfeldplatten 314 beziehungsweise 316 eingefügt ist. Eine Kühlmittelfluidflussfeldplatte 340 ist zwischen jede Brennstoff und Oxidationsmittelfluidflussfeldplatte eingefügt. Fig. 3b stellt eine Konfiguration dar, bei der zwei Platten pro Membranelektrodenaufbau verwendet werden, wie in dem in Fig. 2 dargestellten Brennstoffzellenstapel 200. Jede sich wiederholende Einheit 410 des Brennstoffzellenaufbaus beinhaltet einen Membranelektrodenaufbau 412, der zwischen eine im Wesentlichen fluidundurchlässige Brennstofffluidflussfeldplatte 416 und eine kombinierte Oxidationsmittel-Kühlmittel- Fluidflussfeldplatte 440 eingefügt ist, die vorzugsweise ebenfalls im Wesentlichen fluidundurchlässig ist. Kühlmittelpassagen 440b sind auf der Seite der Platte 440 vorgesehen, die dem Membranelektrodenaufbau 412 abgewandt ist. In der in Fig. 3c gezeigten Konfiguration ist jeder Membranelektrodenaufbau 512 zwischen ein Paar von im Wesentlichen fluidundurchlässigen Oxidationsmittel- und Brennstofffluidflussfeldplatten 514 beziehungsweise 516 eingefügt. Eine Kühlmittelfluidflussfeldplatte 540 ist zwischen jedes zweite Paar von Oxidationsmittel- und Brennstofffluidflussfeldplatten 514 und 516 eingefügt. Somit beinhaltet jede sich wiederholende Einheit 510 des Brennstoffzellenaufbaus zwei Membranelektrodenaufbauten 512, zwei Oxidationsmittelfluidflussfeldplatten 514, zwei Brennstofffluidflussfeldplatten 516 und eine einzelne Kühlmittelfluidflussfeldplatte 540. In jeder der vorstehend beschriebenen und in den Fig. 3a bis 3c dargestellten herkömmlichen Anordnungen sind einzelne "Kühlschichten" in den Stapelaufbauten vorgesehen, und der Kühlmittelstrom fließt in einer anderen Ebene als die Reaktanden in Passagen, welche mit den Brennstoffzellenelektroden und den Reaktandenpassagen überlappen. In diesen herkömmlichen Anordnungen können, wenn das Plattenmaterial, das die Reaktanden- und Kühlmittelstrompassagen trennt, nicht ausreichend dick ist und etwas fluiddurchlässig ist oder einen Defekt darin aufweist, die Kühlmittel- und Reaktandenfluide in Kontakt miteinander kommen, was im Allgemeinen unerwünscht ist. Des Weiteren kann das Kühlmittel mit dem Elektrokatalysator des Brennstoffzellen-Membranelektrodenaufbaus in Kontakt kommen, was schädlich für die Leistungsfähigkeit sein kann und eine Schädigung der Brennstoffzellen verursachen kann, insbesondere wenn das Kühlmitte) nicht Wasser oder Luft ist.
Fig. 4 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 600, bei dem die einzelnen Brennstoffzellenstapelaufbauten eine integrierte Reaktanden- und Kühlmittelfluidflussfeldschicht beinhalten. Der Brennstoffzellenstapel 600 beinhaltet Endplattenaufbauten 602 und 604 sowie eine Mehrzahl von Brennstoffzellenaufbauten 610, die zwischen die Endplattenaufbauten 602, 604 ein gefügt sind. Jeder Brennstoffzellenaufbau beinhaltet eine einzelne Fluidflussfeldplatte, auf deren einer Seite Brennstoffstrompassagen ausgebildet sind, auf deren anderer Seite Oxidationsmittelstrompassagen ausgebildet sind und auf deren beiden Seiten Kühlmittelstrompassagen ausgebildet sind (siehe Fig. 5). Kompressionsbänder 605 erstrecken sich eng um die Endplattenaufbauten 602, 604 und die Brennstoffzellenaufbauten 610 herum, um den Stapel 600 in seinem zusammengebauten Zustand zu halten und zu sichern. In der dargestellten Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels 600 werden Reaktanden-und Kühlmittelfluide interner Anschlüsse und Passagen in dem Stapel 600 über eine zentrale Fluidverteilplatte 603 zugeführt und aus diesen abgeführt.
Fig. 5 ist eine isometrische Explosionsansicht eines Teils des Brennstoffzellenstapels 600 von Fig. 4, welche die sich wiederholende Einheit 611 zeigt. Ein Platten-Brennstoffzellenaufbau 660 ist zwischen zwei im Wesentlichen identische Fluidflussfeldplatten 650 eingefügt. Der Platten- Brennstoffzellenaufbau 660 beinhaltet zwei Membranelektrodenaufbauten 612a und 612b, die in der gleichen Ebene in einer Seite-an-Seite- Beziehung (angrenzend) angeordnet sind. Die Membranelektrodenaufbauten 612a, 612b beinhalten jeweils eine Ionenaustauschmembran, die zwischen zwei poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenschichten eingefügt ist, nämlich eine Anode und eine Kathode (Detail nicht gezeigt). Die elektrochemisch aktiven Gebiete 613a, 613b den Membranelektrodenaufbauten 612a, 612b weisen jeweils einen Elektrokatalysator auf (nicht gezeigt), der an beiden Membran-Elektroden-Grenzflächen angeordnet ist. Die Ionenaustauschmembranen erstrecken sich vorzugsweise lediglich geringfügig über die elektrochemisch aktiven Gebiete 613a, 613b hinaus, wie durch gestrichelte Linien 618a, 618b gezeigt. Die Membranelektrodenaufbauten 612a, 612b sind vorzugsweise von einem Mehrschichtkunststoffrahmen oder einer Dichtung 670 umgeben. Beispiele für abgedichtete Membranelektrodenaufbauten sind in dem US-Patent Nr. 5 464 700 zum Beispiel in den Fig. 2, 4, 6 und 8 sowie in Spalte 2, Zeile 63 bis Spalte 3, Zeile 61 angegeben.
Die Oberseite (wie in Fig. 5 gezeigt) jeder der Fluidflussfeldplatten 650 weist zwei Sätze von darin ausgebildeten, seitlich offenen Kanälen 656a, 656b auf. Die Sätze von Kanälen 656a, 656b queren jeweils einen Bereich der Platte 650, der mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet 613a beziehungsweise 613b überlappt. Die Kanäle 656a erstrecken sich von einer Oxidationsmittelstrom-Einlassanschlussöffnungen 615a zu einer Oxidationsmittelstrom-Auslassanschlussöffnung 625a, um einen Oxidationsmittelstrom in Fluidverbindung mit der Elektrode (Kathode) an der Unterseite des benachbarten Membranelektrodenaufbaus 612a zu leiten. In ähnlicher Weise erstrecken sich die Kanäle 656b von einer Oxidationsmittelstrom- Einlassanschlussöffnung 615b zu einer Oxidationsmittelstrom-Auslassanschlussöffnung 625b, um einen Oxidationsmittelstrom in Fluidverbindung mit der Elektrode an der Unterseite des benachbarten Membranelektrodenaufbaus 612b zu leiten.
Die Unterseite (wie in Fig. 5 gezeigt) jeder der Fluidflussfeldplatten 650 weist ebenfalls zwei ähnliche Sätze von seitlich offenen Kanälen darin auf (nicht gezeigt). Der erste Satz erstreckt sich von einer Brennstoffstrom- Einlassanschlussöffnung 617a zu einer Brennstoffstrom-Auslassanschlussöffnung 619a, um einen Brennstoffstrom in Fluidverbindung mit der Elektrode (Anode) an der Oberseite des benachbarten Membranelektrodenaufbaus (nicht gezeigt) der nächsten sich wiederholenden Einheit zu leiten. Der zweite Satz von Kanälen erstreckt sich von einer Brennstoffstrom-Einlassanschlussöffnung 617b zu einer Brennstoffstrom-Auslassanschlussöffnung 619b, um einen Brennstoffstrom in Fluidverbindung mit der Elektrode an der Oberseite des benachbarten Membranelektrodenaufbaus zu leiten. Somit queren der erste und der zweite Satz von Brennstoffstromkanälen einen Bereich der Platte 650, der mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet 613a beziehungsweise 613b überlappt.
In der dargestellten Ausführungsform sind beide Oberflächen jeder Platte 650 mit Kühlmittelstromkanälen 666 versehen, die sich von einer Kühlmittelstrom-Einlassanschlussöffnung 621 zu einer Kühlmittelstrom-Auslassanschlussöffnung 623 erstrecken und in dem Bereich der Platte 650 angeordnet sind, der nicht mit den elektrochemisch aktiven Gebieten 613a, 613b überlappt. Die Platten 650 sind im Wesentlichen fluidundurchlässig, und in dem zusammengebauten Brennstoffzellenstapel 600 sind die Brennstoff-, Oxidationsmittel- und Kühlmittelanschlüsse und -passagen typischerweise durch verschiedene Dichtungsmechanismen voneinander fluidgetrennt. Dichtungen 675 auf jeder der Platten 650 wirken zum Beispiel mit dem benachbarten Kunststoffrahmen 670 des Brennstoffzellenplattenaufbaus 660 zusammen, um das Kühlmittel, das in den Kanälen 666 strömt, von dem Oxidationsmittel fluidgetrennt zu halten, das in den Kanälen 656a, 656b strömt. In der dargestellten Ausführungsform sind in dem Kunststoffrahmen 670 acht Fluidanschlussöffnungen entsprechend jenen ausgebildet, die in jeder der Platten 650 ausgebildet sind. In dem zusammengebauten Stapel bilden die justierten Fluidanschlussöffnungen interne Anschlüsse oder Verteiler für die Zufuhr und Abfuhr von Reaktanden- und Kühlmittelfluiden.
Die Platten 650 sind vorzugsweise elektrisch leitfähig, so dass angrenzende Anoden und Kathoden der Membranelektrodenaufbauten 612a, 612b in dem gleichen Brennstoffzellenplattenaufbau 610 durch die Platte elektrisch parallel geschaltet sind und überlagerte Zellen in benachbarten Stapelplattenaufbauten durch die Platte (von einer Schicht zur nächsten) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Bezüglich des Anschließens von Reaktandenfluiden sind in der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform separate Reaktandenzufuhr- und -abfuhrverteiler für jede Zelle in der Platte vorgesehen. Überlagerte Zellen in benachbarten Plattenstapelaufbauten werden über einen gemeinsamen Verteiler mit Reaktanden (parallel) versorgt. Es gibt viele alternative Weisen, um Brennstoffzellen, die in Plattenstapelaufbauten angeordnet sind, elektrisch zu verbinden, in Fluidverbindung zu bringen und diesen Reaktanden zuzuführen, von denen einige in den US-Patenten Nr. 4 699 853 und 5 069 985 beschrieben sind.
Fig. 6 ist eine isometrische Explosionsansicht eines Teils eines Brennstoffzellenstapels (ähnlich dem Stapel 600 der Fig. 4 bis 5), welche die sich wiederholende Einheit 711 zeigt. Ein Brennstoffzellenaufbau 760 ist zwischen zwei im Wesentlichen identische Fluidflussfeldplatten 750 eingefügt. Der Brennstoffzellenaufbau 760 beinhaltet einen einzelnen Membranelektrodenaufbau 712, der eine Ionenaustauschmembran beinhaltet, die zwischen zwei poröse, elektrisch leitfähige Elektrodenschichten eingefügt ist, nämlich eine Anode und eine Kathode (Detail nicht gezeigt). Das elektrochemisch aktive Gebiet 713 des Membranelektrodenaufbaus 712 weist einen Elektrokatalysator (nicht gezeigt) auf, der an beiden Membran- Elektroden-Grenzflächen angeordnet ist. Die Ionenaustauschmembran erstreckt sich vorzugsweise lediglich geringfügig über das elektrochemisch aktive Gebiet 713 hinaus, wie durch gestrichelte Linien 718 gezeigt. Der Membranelektrodenaufbau 712 ist vorzugsweise von einem Mehrschicht- Kunststoffrahmen oder einer Dichtung 770 umgeben.
Die Oberseite (wie in Fig. 6 gezeigt) jeder der Fluidflussfeldplatten 750 weist eine Mehrzahl von darin ausgebildeten, seitlich offenen Kanälen 756 auf. Die Kanäle 756 queren einen Bereich der Platte 750, die mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet 713 überlappt. Die Kanäle 756 erstrecken sich von einer Oxidationsmittelstrom-Einlassanschlussöffnung 715 zu einer Oxidationsmittelstrom-Auslassanschlussöffnung 725, um einen Oxidationsmittelstrom in Fluidverbindung mit der Elektrode (Kathode) an der Unterseite des benachbarten Membranelektrodenaufbaus 712 zu leiten. Die Unterseite (wie in Fig. 6 gezeigt) jeder der Fluidflussfeldplatten 750 weist ebenfalls ähnliche, seitlich offene Kanäle darin auf (nicht gezeigt), die sich von einer Brennstoffstrom-Einlassanschlussöffnung 717 zu einer Brennstoffstrom-Auslassanschlussöffnung 719 erstrecken, um einen Brennstoffstrom in Fluidverbindung mit der Elektrode (Anode) an der Oberseite des benachbarten Membranelektrodenaufbaus zu leiten. Die Brennstoffstromkanäle queren ebenfalls einen Bereich der Platte 750, die mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet überlappt.
In der dargestellten Ausführungsform sind beide Oberflächen jeder Platte 750 mit Kühlmittelstromkanälen 766a, 766b versehen, die sich jeweils von Kühlmittelstrom-Einlassanschlussöffnungen 721a, 721b zu Kühlmittelstrom-Auslassanschlussöffnungen 723a, 723b erstrecken und in dem Bereich der Platte 750 angeordnet sind, der nicht mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet 713 überlappt. Die Platten 750 sind im Wesentlichen fluid- undurchlässig, und in dem zusammengebauten Brennstoffzellenstapel sind die Brennstoff-, Oxidationsmittel- und Kühlmittelanschlüsse und -passagen typischerweise durch verschiedene Dichtungsmechanismen voneinander fluidgetrennt. Dichtungen 775 auf jeder der Platten 750 wirken zum Beispiel mit dem angrenzenden Kunststoffrahmen 770 des Brennstoffzellenaufbaus 760 zusammen, um das in den Kanälen 766a, 766b fließende Kühlmittel von dem in den Kanälen 756 fließenden Oxidationsmittel fluidgetrennt zu halten. In der dargestellten Ausführungsform sind Fluidanschlussöffnungen, die jenen entsprechen, die in jeder der Platten 750 ausgebildet sind, in dem Kunststoffrahmen 770 ausgebildet. In dem zusammengebauten Stapel bilden die justierten Fluidanschlussöffnungen interne Anschlüsse oder Verteiler für die Zufuhr und Abfuhr von Reaktanden- und Kühlmittelfluiden.
Wiederum sind die Platten 750 vorzugsweise elektrisch leitfähig, so dass die Zellen in benachbarten Brennstoffzellenstapelaufbauten durch die Platte elektrisch in Reihe geschaltet sind (von einer Schicht zu der nächsten).
In den Ausführungsformen, die in den vorstehend beschriebenen Fig. 4 bis 6 dargestellt sind, erstrecken sich Kühlmittelstrompassagen im Wesentlichen parallel zu den planaren Hauptoberflächen der Platte und zu den planaren Hauptoberflächen der Membranelektrodenaufbauten. Fig. 7 zeigt eine vereinfachte schematische, isometrische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels 800, bei dem sich Kühlmittelstrompassagen durch die Dicke jeder Separatorschicht hindurch von einer ihrer planaren Hauptoberflächen zu der andere erstrecken, wodurch sich die Kühlmittelstrompassagen im Wesentlichen senkrecht zu ihren planaren Hauptoberflächen erstrecken.
Der Brennstoffzellenstapel 800 beinhaltet Endplattenaufbauten 802 und 804 sowie eine Mehrzahl von Brennstoffzellenaufbauten 810, die zwischen die Endplattenaufbauten 802, 804 eingefügt sind. Jede sich wiederholende Brennstoffzellenaufbaueinheit 810 beinhaltet eine einzige Fluidflussfeldplatte und einen Membranelektrodenaufbau (Detail nicht gezeigt). Die Oberseite (wie in Fig. 7 gezeigt) jeder Fluidflussfeldplatte der sich wiederholenden Einheiten 810 weist wenigstens einen darin ausgebildeten, seitlich offenen Oxidationsmittelstromkanal auf, der einen Bereich der Platte quert, der mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet des benachbarten Membranelektrodenaufbaus überlappt. Ein Teil eines derartigen Oxidationsmittelstromkanals 856 ist in der Platte 850 gezeigt, der sich von einer Oxidationsmittelstrom-Einlassanschlussöffnung 815 zu einer Oxidationsmittelstrom-Auslassanschlussöffnung 825 erstreckt. Die Unterseite (wie in Fig. 7 gezeigt) jeder der Fluidflussfeldplatten 850 weist ebenfalls ähnliche, seitlich offene Kanäle darin auf (nicht gezeigt), die sich von einer Brennstoffstrom-Einlassanschlussöffnung 817 zu einer Brennstoffstrom-Auslassanschlussöffnung 819 erstrecken. In dem zusammengebauten Stapel bilden die justierten Reaktandenfluidanschlussöffnungen interne Anschlüsse oder Verteiler für eine Zufuhr und Abfuhr von Reaktanden zu den Kanälen in den Fluidflussfeldplatten. Die Reaktandenfluidströme werden über Oxidationsmitteleinlass- und -auslassanschlüsse 880 beziehungsweise 882 und Brennstoffeinlass- und -auslassanschlüsse 884 beziehungsweise 886 in dem Endplattenaufbau 804 diesen internen Anschlüssen zugeführt und von diesen abgeführt.
In dem dargestellten Brennstoffzellenstapel 800 weisen die Oberflächen der Fluidflussfeldplatten 850 keine darin ausgebildeten Kühlmittelstromkanäle auf. Justierte Öffnungen 821, die sich durch die Dicke der sich wiederholenden Einheiten 810 hindurch erstrecken, bilden miteinander verbundene Kühlmittelpassagen 866, durch die ein Kühlmittelstrom im Wesentlichen senkrecht zu den planaren Hauptoberflächen der Stapelaufbauten 810 geleitet wird. Somit erstrecken sich Kühlmittelstrompassagen durch jede Separatorschicht hindurch von einem Kühlmittelstromeinlass auf einer ihrer planaren Hauptoberflächen zu einem Kühlmittelstromauslass auf der anderen planaren Hauptoberfläche und sind in dem Bereich der Schicht angeordnet, der nicht mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet der benachbarten Membranelektrodenaufbauten überlappt. Die Passagen 866 erstrecken sich außerdem vorzugsweise durch einen Kunststoffrahmen hindurch, der jeden Membranelektrodenaufbau umgibt. In der dargestellten Ausführungsform sind die Kühlmittelpassagen 866 so konfiguriert, dass das Kühlmittel auf zwei Seiten des Stapels in vier Schleifen durch den Stapel hinauf- und hinuntergeleitet wird. Die Endplattenaufbauten 802, 804 sind so ausgelegt, dass sie das Kühlmittel durch den Stapel hindurch wiederholt hinauf- und hinunterleiten, wie durch die Pfeile in Fig. 7 angezeigt.
Der Kühlmittelstrom wird diesen Passagen über Kühlmitteleinlassanschlüsse 888a, 888b sowie Kühlmittelauslassanschlüsse 890a, 890b in dem Endplattenaufbau 804 zugeführt und von diesen abgeführt.
Die Platten 850 sind wiederum im Wesentlichen fluidundurchlässig, und in dem zusammengebauten Brennstoffzellenstapel sind die Brennstoff-, Oxidationsmittel- und Kühlmittelanschlüsse und -passagen typischerweise durch verschiedene Dichtungsmechanismen (nicht gezeigt) voneinander fluidgetrennt. Die Platten 850 sind vorzugsweise außerdem elektrisch leitfähig, so dass die Zellen in benachbarten Brennstoffzellenstapelaufbauten durch die Platte elektrisch in Reihe geschaltet sind (von einer Schicht zu der nächsten).
In den Ausführungsformen, die in den Fig. 4 bis 7 dargestellt und vorstehend beschrieben sind, sind die Fluidflussfeldplatten vorzugsweise thermisch hoch leitfähig, so dass Wärme lateral durch die Platte hindurch von dem Bereich, der mit dem elektrochemisch aktiven Gebiet der Membranelektrodenaufbauten überlappt, zu dem Bereich geleitet wird, der darin ausgebildete Kühlmittelstrompassagen aufweist.
In der Praxis werden die Form und die Abmessungen der Membranelektrodenaufbauten und die Konfiguration der Reaktanden- und Kühlmittelstrompassagen derart gewählt, dass im Betrieb eine adäquate Kühlung über das gesamte elektrochemisch aktive Gebiet jeder Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel erzielt wird. Die bevorzugten Betriebsbedingungen, die thermische Leitfähigkeit der Separatorschichtmaterialien, die Natur des Kühlmittels sowie die Leistungs- und Spannungsanforderungen.

Claims

1. Elektrochemischer Brennstoffzellenaufbau mit:

einem Paar Separatorschichten;

einem Membranelektrodenaufbau, der zwischen die Separatorschichten eingefügt ist, wobei der Membranelektrodenaufbau ein Paar Elektroden und eine dazwischen eingefügte Ionenaustauschmembran beinhaltet, wobei die Elektroden einen damit verknüpften Elektrokatalysator aufweisen, der ein elektrochemisch aktives Gebiet definiert;

wobei jede der Separatorschichten einen Reaktandenbereich, der das elektrochemisch aktive Gebiet überlagert, und einen restlichen Bereich beinhaltet, der das elektrochemisch aktive Gebiet nicht überlagert;

wobei jede der Separatorschichten einen Reaktandenstromeinlass, einen Reaktandenstromauslass und wenigstens eine Reaktandenstrompassage beinhaltet, die mit einer der Elektroden in Fluidverbindung steht, um einen Fluidreaktandenstrom von dem Reaktandenstromeinlass zu dem Reaktandenstromauslass zu leiten, wobei ein überwiegender Teil der wenigstens einen Reaktandenstrompassage in dem Reaktandenbereich angeordnet ist;

wobei wenigstens eine der Separatorschichten des weiteren wenigstens einen Kühlmittelstromeinlass, wenigstens einen Kühlmittelstromauslass und wenigstens eine Kühlmittelstrompassage beinhaltet, um einen Kühlmittelstrom von dem wenigstens einen Kühlmittelstromeinlass zu dem wenigstens einen Kühlmittelstromauslass zu leiten, wobei die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage lediglich in dem restlichen Bereich angeordnet und von der wenigstens einen Reaktandenstrompassage fluidgetrennt ist.

2. Elektrochemischer Brennstoffzellenaufbau nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine der Separatorschichten eine im Wesentlichen fluidundurchlässige Platte mit einander entgegengesetzten planaren Hauptoberflächen beinhaltet.

3. Elektrochemischer Brennstoffzellenaufbau nach Anspruch 2, wobei sich die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage im Wesentlichen parallel zu den planaren Hauptoberflächen erstreckt.

4. Elektrochemischer Brennstoffzellenaufbau nach Anspruch 3, wobei die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage wenigstens einen Kanal beinhaltet, der in einer der Oberflächen der Platte ausgebildet ist.

5. Elektrochemischer Brennstoffzellenaufbau nach Anspruch 4, wobei die wenigstens eine Reaktandenstrompassage wenigstens einen Kanal beinhaltet, der in einer der Oberflächen der Platte ausgebildet ist.

6. Elektrochemischer Brennstoffzellenaufbau nach Anspruch 3, wobei die wenigstens eine der Separatorschichten des Weiteren eine poröse Schicht beinhaltet, die zwischen der Platte und dem Membranelektrodenaufbau eingefügt ist, und die wenigstens eine Reaktandenstrompassage die Porenräume der porösen Schicht beinhaltet.

7. Elektrochemischer Brennstoffzellenaufbau nach Anspruch 6, wobei die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage wenigstens eine Kühlmittelstromleitung beinhaltet, die sich durch die poröse Schicht erstreckt und den Kühlmittelstromeinlass und den Kühlmittelstromauslass fluidverbindet.

8. Elektrochemischer Brennstoffzellenaufbau nach Anspruch 2, wobei sich die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage durch die Platte von einer der planaren Hauptoberflächen zu der anderen der planaren Hauptoberflächen erstreckt, wobei sich die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage im Wesentlichen senkrecht zu den planaren Hauptoberflächen erstreckt.

9. Elektrochemischer Brennstoffzellenaufbau nach Anspruch 8, wobei der restliche Bereich eine Mehrzahl von nicht zusammenhängenden Bereichen beinhaltet.

10. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen und einer Separatorschicht, die zwischen jedes Paar benachbarter Brennstoffzellen eingefügt ist, wobei jede der Brennstoffzellen beinhaltet:

einen Membranelektrodenaufbau mit einem Paar Elektroden und einer dazwischen eingefügten Ionenaustauschmembran, wobei die Elektroden einen damit verknüpften Elektrokatalysator aufweisen, der ein elektrochemisch aktives Gebiet definiert;

wobei jede der Separatorschichten einen ersten Reaktandenstromeinlass, einen ersten Reaktandenstromauslass und wenigstens eine erste Reaktandenstrompassage beinhaltet, die mit einer Elektrode einer ersten Brennstoffzelle des Paars von Brennstoffzellen in Fluidverbindung steht, um einen ersten Fluidreaktandenstrom von dem ersten Reaktandenstromeinlass zu dem ersten Reaktandenstromauslass zu leiten, wobei ein überwiegender Teil der wenigstens einen ersten Reaktandenstrompassage in dem Reaktandenbereich angeordnet ist;

wobei jede der Separatorschichten des Weiteren einen zweiten Reaktandenstromeinlass, einen zweiten Reaktandenstromauslass und wenigstens eine zweite Reaktandenstrompassage beinhaltet, die mit einer Elektrode einer zweiten Brennstoffzelle des Paars von Brennstoffzellen in Fluidverbindung steht, um einen zweiten Fluidreaktandenstrom von dem zweiten Reaktandenstromeinlass zu dem zweiten Reaktandenstromauslass zu leiten, wobei ein überwiegender Teil der wenigstens einen zweiten Reaktandenstrompassage in dem Reaktandenbereich angeordnet ist;

wobei jede der Separatorschichten des Weiteren wenigstens einen Kühlmittelstromeinlass, wenigstens einen Kühlmittelstromauslass und wenigstens eine Kühlmittelstrompassage beinhaltet, um einen Kühlmittelstrom von dem wenigstens einen Kühlmittelstromeinlass zu dem wenigstens einen Kühlmittelstromauslass zu leiten, wobei die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage lediglich in dem restlichen Bereich angeordnet und von der ersten und der zweiten Reaktandenstrompassage fluidgetrennt ist.

11. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei jede der Separatorschichten eine im Wesentlichen fluidundurchlässige Platte mit einander entgegengesetzten planaren Hauptoberflächen beinhaltet.

12. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 11, wobei sich die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage im Wesentlichen parallel zu den planaren Hauptoberflächen erstreckt.

13. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage wenigstens einen Kanal beinhaltet, der in wenigstens einer der Oberflächen der Platte ausgebildet ist.

14. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, wobei die wenigstens eine erste Reaktandenstrompassage wenigstens einen Kanal beinhaltet, der in einer der Oberflächen der Platte ausgebildet ist, und die wenigstens eine zweite Reaktandenstrompassage wenigstens einen Kanal beinhaltet, der in der entgegengesetzten Oberfläche der Platte ausgebildet ist.

15. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 14, wobei die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage wenigstens einen Kanal beinhaltet, der in jeder der Oberflächen der Platte ausgebildet ist.

16. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die Separatorschicht des Weiteren eine zwischen der Platte und der ersten Brennstoffzelle eingefügte poröse Schicht beinhaltet und die wenigstens eine erste Reaktandenstrompassage die Porenräume der porösen Schicht beinhaltet.

17. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage wenigstens eine Kühlmittelstromleitung beinhaltet, die sich durch die poröse Schicht erstreckt und den Kühlmittelstromeinlass und den Kühlmittelstromauslass fluidverbindet.

18. Elektrochemischer. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 11, wobei sich die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage durch die Platte von einer der planaren Hauptoberflächen zu der anderen der planaren Hauptoberflächen erstreckt, wobei sich der wenigstens eine Kühlmittelstrom im Wesentlichen senkrecht zu den planaren Hauptoberflächen erstreckt.

19. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 18, wobei der restliche Bereich eine Mehrzahl von nicht zusammenhängenden Bereichen beinhaltet.

20. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei das Kühlmittel eine Flüssigkeit ist.

21. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei das Kühlmittel ein Gas ist.

22. Elektrochemischer Brennstoffzellenplattenaufbau mit:

einem Paar Separatorschichten;

einer Mehrzahl aneinandergrenzender Brennstoffzellen, die zwischen die Separatorschichten eingefügt sind, wobei jede der Brennstoffzellen einen Membranelektrodenaufbau enthält, der ein Paar Elektroden und eine dazwischen eingefügte Ionenaustauschmembran beinhaltet, wobei die Elektroden einen damit verknüpften Elektrokatalysator aufweisen, der ein elektrochemisch aktives Gebiet definiert;

wobei jede der Separatorschichten einen Reaktandenbereich, der eine Mehrzahl nicht zusammenhängender Bereiche beinhaltet, welche die Mehrzahl elektrochemisch aktiver Gebiete überlagern, und einen restlichen Bereich beinhaltet, der keines der elektrochemisch aktiven Gebiete überlagert;

wobei jede der Separatorschichten wenigstens einen Reaktandenstromeinlass, wenigstens einen Reaktandenstromauslass und eine Mehrzahl von Reaktandenstrompassagen beinhaltet, die jeweils mit wenigstens einer der Mehrzahl von Elektroden in Fluidverbindung steht, um einen Fluidreaktandenstrom von dem wenigstens einen Reaktandenstromeinlass zu dem wenigstens einen Reaktandenstromauslass zu leiten, wobei ein überwiegender Teil von jeder der Mehrzahl von Reaktandenstrompassagen in dem Reaktandenbereich angeordnet ist;

wobei wenigstens eine der Separatorschichten des Weiteren wenigstens einen Kühlmittelstromelnlass, wenigstens einen Kühlmittelstromauslass und wenigstens eine Kühlmittelstrompassage beinhaltet, um einen Kühlmittelstrom von dem wenigstens einen Kühlmittelstromeinlass zu dem wenigstens einen Kühlmittelstromauslass zu leiten, wobei die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage lediglich in dem restlichen Bereich angeordnet und von der wenigstens einen Reaktandenstrompassage fluidgetrennt ist.

23. Elektrochemischer Brennstoffzellenplattenaufbau nach Anspruch 22, wobei die wenigstens eine Separatorschicht eine im Wesentlichen fluidundurchlässige Platte mit einander entgegengesetzen planaren Hauptoberflächen beinhaltet.

24. Elektrochemischer Brennstoffzellenplattenaufbau nach Anspruch 23, wobei die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage wenigstens einen Kanal beinhaltet, der in einer der Oberflächen der Platte ausgebildet ist.

25. Elektrochemischer Brennstoffzellenplattenaufbau nach Anspruch 24, wobei die wenigstens eine Reaktandenstrompassage wenigstens einen Kanal beinhaltet, der in einer der Oberflächen der Platte ausgebildet ist.

26. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenplattenaufbauten und einer Separatorschicht, die zwischen jedes Paar angrenzender Brennstoffzellenplattenaufbauten eingefügt ist, wobei jede der Brennstoffzellenplattenaufbauten beinhaltet:

eine Mehrzahl aneinandergrenzender Brennstoffzellen, die zwischen die Separatorschichten eingefügt sind, wobei jede der Brennstoffzellen einen Membranelektrodenaufbau enthält, der eine erste und eine zweite Elektrode und eine dazwischen eingefügte Ionenaustauschmembran beinhaltet, wobei jede der Elektroden einen damit verknüpften Elektrokatalysator aufweist, der ein elektrochemisch aktives Gebiet definiert;

wobei jede der Separatorschichten wenigstens einen ersten Reaktandenstromeinlass, wenigstens einen ersten Reaktandenstromauslass und eine Mehrzahl von ersten Reaktandenstrompassagen beinhaltet, die jeweils mit wenigstens einer der ersten Elektroden eines ersten Brennstoffzellenaufbaus des Paars benachbarter Aufbauten in Fluidverbindung steht, um einen ersten Fluidreaktandenstrom von dem ersten Reaktandenstromeinlass zu dem ersten Reaktandenstromauslass zu leiten, wobei ein überwiegender Teil der wenigstens einen ersten Reaktandenstrompassage in dem Reaktandenbereich angeordnet ist;

wobei jede der Separatorschichten des Weiteren wenigstens einen zweiten Reaktandenstromeinlass, wenigstens einen zweiten Reaktandenstromauslass und eine Mehrzahl von zweiten Reaktandenstrompassagen beinhaltet, die jeweils mit wenigstens einer der zweiten Elektroden eines zweiten Brennstoffzellenaufbaus des Paars benachbarter Aufbauten in Fluidverbindung steht, um einen zweiten Fluidreaktandenstrom von dem zweiten Reaktandenstromeinlass zu dem zweiten Reaktandenstromauslass zu leiten, wobei ein überwiegender Teil der wenigstens einen zweiten Reaktandenstrompassage in dem Reaktandenbereich angeordnet ist;

wobei jede der Separatorschichten des Weiteren wenigstens einen Kühlmittelstromeinlass, wenigstens einen Kühlmittelstromauslass und wenigstens eine Kühlmittelstrompassage beinhaltet, um einen Kühlmittelstrom von dem wenigstens einen Kühlmittelstromeinlass zu dem wenigstens einen Kühlmittelstromauslass zu leiten, wobei die wenigstens eine Kühlmlttelstrompassage lediglich in dem restlichen Bereich angeordnet und von der wenigstens einen ersten und der wenigstens einen zweiten Reaktandenstrompassage fluidgetrennt ist.

27. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 26, wobei jede der Separatorschichten eine im Wesentlichen fluidundurchlässige Platte mit einander entgegengesetzen planaren Hauptoberflächen beinhaltet.

28. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 27, wobei die wenigstens eine Kühlmittelstrompassage wenigstens einen Kanal beinhaltet, der in einer der Oberflächen der Platte ausgebildet ist.

29. Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 28, wobei die wenigstens eine erste Reaktandenstrompassage wenigstens einen Kanal beinhaltet, der in einer der Oberflächen der Platte ausgebildet ist.