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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen, welche
in Brennstoffzellenstapel-Anordnungen angeordnet sind, die zur Verwendung
in Transportfahrzeugen, transportierbaren Stromerzeugungsanlagen
oder als stationäre
Stromerzeugungsanlagen geeignet sind. Insbesondere bezieht sich
die Erfindung auf einen Brennstoffzellenstapel mit einer leichten,
elektrisch isolierenden Druckplatte und einem kompakten Stromkollektor, welche
beide eine geringe Wärmekapazität haben.
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Stand der
Technik
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Brennstoffzellen
sind bekannt und werden verbreitet verwendet, um elektrische Energie
aus reduzierenden und oxidierenden Reaktantenfluiden zu erzeugen,
um elektrische Einrichtungen, z.B. Einrichtungen an Bord von Raumfahrzeugen,
Transportfahrzeugen oder Generatoren vor Ort für Gebäude anzutreiben. Eine Vielzahl
von planaren Brennstoffzellenplatten-Komponenten sind typischerweise
in einem Zellenstapel angeordnet, umgeben von einer elektrisch isolierenden
Rahmenstruktur, welche Verzweigungssysteme zum Leiten der Strömung von
reduzierenden, Oxidationsmittel-, Kühlmittel- und Produkt-Fluiden
als Teil der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage definiert. Jede
individuelle Brennstoffzelle umfasst im allgemeinen eine Anodenelektrode
und eine Kathodenelektrode, welche durch einen Elektrolyten getrennt
sind. Ein reduzierendes Fluid, z.B. Wasserstoff, wird zur Anodenelektrode
geliefert, und ein Oxidationsmittel, z.B. Sauerstoff oder Luft,
wird zur Kathodenelektrode geliefert. In einer Zelle, welche eine
Protonenaustauschmembran ("PEM") als Elektrolyten
verwendet, reagiert Wasserstoff elektrochemisch an einer Katalysatoroberfläche der
Anodenelektrode und erzeugt Wasserstoffionen und Elektronen. Die
Elektronen werden durch einen externen Lastkreis geleitet und dann
zur Kathodenelektrode zurückgeführt, während die
Wasserstoffionen durch den Elektrolyten zur Kathodenelektrode gelangen,
wo sie mit dem Oxidationsmittel und den Elektronen reagieren, um
Wasser zu erzeugen und Wärmeenergie
freizusetzen. Die Brennstoffzellenkomponenten umfassen auch häufig eine
Mehrzahl von Kühlmittelplatten,
welche zwischen den Zellen angeordnet sind. Kühlmittelfluid läuft typischerweise durch
die Kühlmittelplatten,
um die Brennstoffzellen und den Brennstoffzellenstapel bei einer
optimalen Temperatur zu halten.
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Es
ist bekannt, dicke Stromkollektorplatten an entgegengesetzten Enden
des Zellenstapels zu verwenden, welche in elektrischem Kontakt mit
den Endplatten des Stapels sind, um elektrischen Strom, welcher
durch die Brennstoffzellen des Stapels erzeugt wurde, aufzunehmen
und den Strom durch Kabel von den Stromkollektoren zu einer Last
zu leiten, um Arbeit zu verrichten. Es ist auch bekannt, dicke Metalldruckplatten
an entgegengesetzten Enden des Zellenstapels zu verwenden, wobei
die Druckplatten typischerweise eine Befestigungsanordnung aufweisen,
z.B. eine Mehrzahl von Zugstangen, welche sich zwischen den Druckplatten
erstrecken und dazu dienen, eine zusammendrückende Kraft auf die Stromkollektoren
und die Brennstoffzellenplatten-Komponenten zwischen den Druckplatten
auszuüben.
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Beispielsweise
in dem am 1. März
1988 an Briggs erteilten US-Patent 4 728 585 ist gezeigt, dass eine
Stahl-Druckplatte mit einer benachbarten dünnen, porösen Grafitplatte, welche mit
PTFE imprägniert
ist, eine dicke Kollektorplatte und eine überhängende Stahl-Druckplatte ersetzen.
Die dünne,
mit PTFE imprägnierte
Grafitplatte bietet eine elektrisch leitende Gasdichtung zwischen
den Stahl-Druckplatten und der Endplatte der Brennstoffzellen-Komponentenplatten,
so dass die Stahl-Druckplatte auch als Stromkollektor dienen kann.
Das am 23. April 1991 an Guthrie et al. erteilte US-Patent 5 009
968 trägt auch
eine Brennstoffzellen-Endplattenstruktur, welche eine Membran aufweist, welche
ausreichend dünn
ist, so dass zusammendrückende
Kräfte,
welche auf die Membran und benachbarte Zellen durch entgegengesetzte
Druckkissen aufgebracht wird, die Membran in engem elektrischen
Kontakt mit den Elektroden an mehreren Stellen hält.
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Das
am 14. Dezember 1999 an Walsh erteilte US-Patent 6 001 502 zeigt
auch kombinierte strukturale Druck- oder Endplatten und Stromkollektoren als "leitende Körper", wobei die gewählten Oberflächen der
leitenden Körper
mit einem elektrische Leitfähigkeit "isolierenden Material" behandelt werden, um
elektrische Leitung von den Brennstoffzellen in den leitenden Körper zu
ermöglichen
und Befestigungsstrukturen, welche die Körper und die in den Körpern definierten
Fluidsysteme kontaktieren.
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Es
ist auch bekannt, dass für
kombinierte Druckplatten/Stromkollektoren aus Stahl oder Aluminium
die Platten aus rostfreiem Stahl oder Aluminium häufig mit
einem Edelmetall plattiert werden, z.B. Gold, zu beträchtlichen
Kosten. Das Goldplattieren dient zum Minimieren des Kontaktwiderstands,
weil sowohl Aluminium als auch rostfreier Stahl nicht leitende Oxidoberflächen ausbilden,
wenn sie Luft und Wasser oder Wasserdampf in einer typischen PEM-Brennstoffzellenbetriebsumgebung
ausgesetzt werden. Es wurde jedoch gezeigt, dass solches Goldplattieren
sowohl teuer als auch unzuverlässig ist,
aufgrund der schlechten Adhäsion
zwischen Gold und dem Basismetall.
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Bekannte
Brennstoffzellenstapel-Druckplatten und Stromkollektoren sind daher
typischerweise massige, komplexe Vorrichtungen, welche in der Herstellung
teuer sind und welche auch wesentlich zum Gewicht und Volumen der
Gesamtbrennstoffzellenstapel-Spezifikation beitragen. Während in
stationären
Stromerzeugungsanlagen verwendete Brennstoffzellenstapel mit den
bekannten Druckplatten und Stromkollektoren in akzeptabler Weise
betrieben werden können,
muss bei Brennstoffzellenstapeln, welche zum Antrieb von Transportfahrzeugen
verwendet werden, das Gewicht, Volumen und die Kosten des Brennstoffzellenstapels
minimiert werden. Außerdem
müssen
Brennstoffzellenstapel, welche in Transportfahrzeugen verwendet
werden, in der Lage sein, bei Bedingungen unter dem Gefrierpunkt schnell
zu starten. Bekannte, schwere, dichte metallische Druckplatten und/oder
Stromkollektoren weisen eine sehr hohe Wärmemasse bzw. Wärmekapazität auf. Daher
absorbieren sie eine große
Menge der thermischen Energie während
eines kalten Starts, wodurch effektiv die Anfahrdauer verlängert wird.
Solche Platten mit hoher Wärmekapazität erzeugen
auch einen Wärmegradienten
während
eines kalten Starts zwischen den Zellen, welche den Druckplatten
benachbart sind, und jenen Brennstoffzellen, welche im Inneren des
Zellenstapels sind. Ein solcher Temperaturgradient verhindert einen
rapiden Start der Brennstoffzelle, was unerwünscht ist.
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Dementsprechend
besteht ein Bedürfnis
für einen
Brennstoffzellenstapel mit Druckplatten und Stromkollektoren, welche
leicht und in der Herstellung kostengünstiger sind und welche beträchtlich
reduzierte Wärmekapazitäten haben.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die
Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel mit verbesserter (verbessertem)
Druckplatte und Stromkollektor. Der Brennstoffzellenstapel erzeugt Elektrizität aus reduzierenden
Fluid- und Prozessoxidationsmittel-Reaktantenströmen und weist eine Mehrzahl
von Brennstoffzellenkomponentenplatten auf, welche benachbart zueinander
gestapelt sind, um einen Reaktionsteil des Brennstoffzellenstapels zu
bilden. Die Mehrzahl von Brennstoffzellen-Komponentenplatten umfassen
eine erste End-Zellenkomponentenplatte an einem ersten Ende des
Stapels der Brennstoffzellen-Komponentenplatte und eine zweite End-Zellenkomponentenplatte
an einem entgegengesetzten zweiten Ende des Stapels von Brennstoffzellen-Komponentenplatten.
Ein Stromkollektor ist benachbart einer End-Zellenkomponentenplatte
befestigt. In einer Ausführungsform
ist der Stromkollektor aus einem nicht-porösen, elektrisch leitenden Grafitmaterial.
In einer alternativen Ausführungsform
kann der Stromkollektor aus einer dünnen, leitenden Metallschicht
(z.B. eine 2 mm dicke Kupferschicht) bestehen, welcher an einer
elektrisch leitenden Grafitmaterialschicht befestigt ist, so dass
die Grafitmaterialschicht benachbart der End-Zellenkomponentenplatte
befestigt ist. Dieses "elektrisch
leitende Grafitmaterial" kann
aus reinem Grafit oder einem Grafit-Polymerverbund bestehen. Der
Stromkollektor umfasst auch mindestens einen leitenden Stift, welcher
an dem Kollektor angebracht ist und von dem Stromkollektor weg in
der Richtung weg von dem Ende der Zellenkomponentenplatte hinweg
ragt. Der Brennstoffzellenstapel umfasst auch eine Druckplatte,
welche benachbart dem Stromkollektor angebracht ist, bei welchem
die Druckplatte die End-Zellenkomponentenplatte benachbart zum Stromkollektor überlagert,
und die Druckplatte ist aus einem elektrisch nicht leitenden, nicht-metallischen,
faserverstärkten
Verbundmaterial gemacht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Brennstoffzellenstapel auch einen Wärmeisolator, welcher zwischen
dem Stromkollektor und der Druckplatte angebracht ist, um Bewegung
von Wärme
von dem Stromkollektor zur Druckplatte und der Umgebung einzuschränken. In
einer zusätzlichen bevorzugten
Ausführungsform
kann der leitende Stift des Stromkollektors durch eine Öffnung hindurch
reichen, welche in der Druckplatte definiert ist. Der Stromkollektor
kann auch ein Paar oder mehr leitende Stifte umfassen, welche durch
die Druckplatte reichen. Der Brennstoffzellenstapel kann auch einen ersten
Stromkollektor umfassen, welcher benachbart der ersten End-Zellenkomponentenplatte
angebracht ist, und kann eine erste Druckplatte umfassen, welche
benachbart dem ersten Stromkollektor angebracht ist, während ein
zweiter Stromkollektor und eine zweite Druckplatte in ähnlicher
Weise benachbart zur zweiten End-Zellenkomponentenplatte angebracht
sind, und der erste und zweite Kollektor sind beide aus einem nicht-porösen, leitenden
Grafitmaterial gemacht, und die erste und zweite Druckplatte sind
beide aus einem nichtleitenden, nicht-metallischen, faserverstärkten Verbundmaterial
gemacht.
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Diese
und andere Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden leichter verständlich,
wenn die folgende Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen
gelesen wird.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels mit
verbesserter Druckplatte und verbessertem Stromkollektor gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine perspektivische Draufsicht einer beispielhaften verbesserten
Druckplatte und verbessertem Stromkollektor.
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3 ist
eine perspektivische Draufsicht auf den Boden der verbesserten exemplarischen
Druckplatte aus 2.
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4 ist
eine Bodenansicht der exemplarischen verbesserten Druckplatte aus 2,
welche den Stromkollektor aus 2 in der
Druckplatte positioniert zeigt.
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5 ist
eine Draufsicht der exemplarischen verbesserten Druckplatte aus 2,
welche die leitenden Stifte des Stromkollektors aus 2 zeigt, welche
durch die in der Druckplatte von 2 definierten Öffnungen
hindurch reichen.
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Beste Art
der Ausführung
der Erfindung
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Es
wird detailliert auf die Zeichnungen Bezug genommen. 1 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden
Erfindung und im allgemeinen durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet.
Wie in 1 am besten gezeigt, umfasst der Brennstoffzellenstapel 10 eine
Mehrzahl von Brennstoffzellenkomponentenplatten 12, welche
einen Reaktionsbereich 14 des Brennstoffzellenstapels 10 definieren.
Wie in der Technik bekannt, umfassen die Brennstoffzellen-Komponentenplatten 12 des
Stapels 10 plattenförmige
Komponenten, welche die einzelnen Brennstoffzellen bilden, z.B.
Anoden- und Kathodenelektroden, welche auf entgegengesetzten Seiten
der Elektrolyten sind, z.B. PEM-Elektrolyten, gemeinsam mit Kühlmittelplatten,
welche zwischen manchen Brennstoffzellen positioniert sind, um eine
optimale Temperatur der Brennstoffzellen und des Brennstoffzellenstapels 10 aufrechtzuerhalten,
wie z.B. die Brennstoffzellenplatten-Komponenten, welche in dem
o.g. US-Patent 4 728 585 beschrieben sind, wie auch ein Brennstoffzellensta pel,
welcher im US-Patent 6 331 336 beschrieben ist, welches am 18. Dezember
2001 an Van Dine et al. erteilt wurde. Eine erste End-Zellenkomponentenplatte 16 wird
an einem ersten Ende 18 des Reaktionsbereichs 14 des Brennstoffzellenstapels 10 befestigt,
und eine zweite End-Zellenkomponentenplatte 20 wird an
einem zweiten Ende 22 des Reaktionsbereichs 14 befestigt, welche
dem ersten Ende 18 des Reaktionsbereichs 14 des
Brennstoffzellenstapels 10 gegenüber liegt.
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Ein
erster Stromkollektor 24 wird benachbart zur ersten End-Zellenkomponentenplatte 16 befestigt,
so dass der ersten Stromkollektor in elektrischer Verbindung mit
der ersten End-Zellenkomponentenplatte 16 ist. Ein zweiter
Stromkollektor 26 wird benachbart zur zweiten End-Zellenkomponentenplatte 20 befestigt,
so dass der zweite Stromkollektor 26 in Verbindung mit
der zweiten End-Zellenkomponentenplatte 20 ist. Die ersten
und zweiten Stromkollektoren 24, 26 sind aus nicht-porösem, elektrisch
leitenden Grafit oder aus einem elektrisch leitenden Grafit-Polymerverbundwerkstoff
gemacht, im Folgenden kollektiv als "ein elektrisch leitendes Grafitmaterial" bezeichnet. Ein
beispielhaftes elektrisch leitendes Grafitmaterial ist erhältlich unter
dem Handelsnamen "PEMTEX
GRADE", hergestellt
durch die Quantum Composites Co. aus Bay City, Michigan, U.S.A.
In einer bevorzugten Ausführungsform
des ersten bzw. zweiten Kollektors 24, 26 kann
das nicht-poröse
Grafitmaterial eine bevorzugte Dicke von 3 bis 12 mm und eine bevorzugte
Leitfähigkeit
von 25 Siemens/cm oder mehr haben.
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Zusätzlich können die
ersten und zweiten Kollektoren 24, 26 so dimensioniert
sein, dass Querschnittsflächen
der ersten und zweiten Kollektoren 24, 26 mindestens
so groß sind
wie die Querschnittsflächen
der benachbarten ersten und zweiten End-Zellenkomponentenplatten 16, 20,
um das Leiten von Elektrizität
zwischen den End-Zellenkomponentenplatten 16, 20 und
den Stromkollektoren 24, 26 zu verbessern. Der
erste Stromkollektor 24 umfasst auch einen ersten leitenden
Stift 28 und einen zweiten leitenden Stift 30,
welche an dem Kollektor 24 befestigt sind. In ähnlicher
Weise umfasst der zweite Stromkollektor 26 einen dritten
leitenden Stift 32 und einen vierten leitenden Stift 34.
Die leitenden Stifte 28, 30, 32, 34 strecken
sich in einer Richtung weg von dem ersten bzw. zweiten Stromkollektor 24, 26,
an welchem sie befestigt sind, und auch in eine Richtung weg von
der ersten End-Zellenkomponentenplatte 16 oder zweiten
End-Zellenkomponentenplatte 20, an welche der erste bzw.
zweite Stromkollektor 24, 26 angebracht ist. Die
leitenden Stifte 28, 30, 32, 34 können aus
jedem Material mit brauchbarer elektrischer Leitfähigkeit
gemacht sein, z.B. Kupfer, Nickel, rostfreier Stahl oder Grafit,
etc., und die leitenden Stifte können
mechanisch mit den Kollektoren durch Gewinde verbunden sein oder
können
geschweißt,
gelötet
oder durch einen leitenden Klebstoff mit den Stromkollektoren 24, 25 verbunden
sein. Die leitenden Stifte 28, 30, 32, 34 können auch
aus jedem leitenden Kabel oder Draht gebildet sein, welcher in der
Technik bekannt ist, um Elektrizität von einem Brennstoffzellenstapel
zu einer Last zum Verrichten von Arbeit zu leisten. Es versteht
sich auch, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst, dass
der erste Stromkollektor einen oder mehrere Stifte hat, sowie dass
der zweite Stromkollektor 26 einen oder mehrere Stifte
hat.
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Der
Brennstoffzellenstapel 10 kann auch einen ersten Wärmeisolator 36 umfassen,
welcher benachbart zum ersten Stromkollektor 24 befestigt
ist und so positioniert ist, dass der erste Stromkollektor 24 zwischen
dem ersten Wärmeisolator 36 und
der ersten End-Zellenkomponentenplatte 16 angeordnet ist.
Ein zweiter Wärmeisolator 38 kann
auch benachbart zum zweiten Stromkollektor 26 befestigt
und so positioniert sein, dass der zweite Stromkollektor 26 zwischen
dem zweiten Wärmeisolator 38 und
der zweiten End-Zellenkomponentenplatte 20 befestigt ist.
Die Wärmeisolatoren 36, 38 schränken die
Bewegung von Wärme
vom Reaktionsbereich 14 des Brennstoffzellenstapels 10 durch
den ersten und zweiten Kollektor 24, 26 ein. Die
Wärmeisolatoren können aus
einer steifen Isolierung bestehen, welche den Kompressionskräften in
einer Brenntoffzelle standhält,
welche typischerweise 345 bis 690 kPa sind. Eine beispielhafte steife
Isolation ist erhältlich unter
dem Handelsnamen "ZAL-45
alumina insulation",
hergestellt durch Zircar Ceramics, Inc. aus Florida, NY, USA.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann der Stromkollektor 24 auch eine dünne leitende Metallschicht 39 aufweisen,
welche an dem elektrisch leitenden Grafitmaterialschicht-Stromkollektor 24 befestigt
ist, so dass der Grafitmaterialschicht-Stromkollektor 24 benachbart
der ersten End-Zellenkomponenten platte 16, befestigt ist.
Die dünne
leitende Metallschicht kann aus jedem hoch leitenden Metall sein,
z.B. Kupfer, welches normalerweise für den Brennstoffzellenstapel 10 schädlich wäre, aber
in der vorliegenden Erfindung wäre
die Metallschicht 39 gutartig, weil sie vor den Brennstoffzellen-Komponentenplatten 12 durch
die elektrisch leitende Grafitmaterialschicht 24 isoliert
ist. Weil die Metallschicht 39 hoch leitend ist, kann sie
wesentlich dünner
sein als Stahl-Endplatten
aus dem Stand der Technik. Beispielsweise kann eine exemplarische
leitende Metallschicht 39 weniger als 2 mm dick sein, und
dementsprechend hat die Metallschicht 39 eine viel geringere
thermische Masse als eine 20 mm dicke Stahlplatte aus dem Stand
der Technik.
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Eine
erste Druckplatte 40 ist der ersten Wärmeisolation 36 und
eine zweite Druckplatte 42 ist der zweiten Wärmeisolation 38 benachbart
befestigt. Die erste und zweite Druckplatte 40, 42 sind
so dimensioniert, dass sie eine Querschnittsfläche haben, welche mindestens
so groß ist
wie die Querschnittsfläche
der End-Zellenkomponentenplatten 16, 20, welche
ihnen am nächsten
sind. Für
die hier vorliegenden Zwecke wird die Querschnittsfläche einer
Druckplatte 40, 42, welche mindestens so groß ist wie
eine Querschnittsfläche
einer End-Zellenkomponentenplatte 16, 20,
die der Druckplatte 40, 42 am nächsten ist,
bezeichnet als die erste Druckplatte 40, welche über der
ersten End-Zellenkomponentenplatte 16 liegt, oder bezeichnet
als die zweite Druckplatte 20, welche über der zweiten End-Zellenkomponentenplatte 20 liegt.
Die erste und zweite Druckplatte 40, 42 sind aus
einem elektrisch nicht-leitenden, nichtmetallischen, faserverstärkten Verbundmaterial
gemacht. Beispielhafte Materialien zum Herstellen der Druckplatten 40, 42 umfassen
ein glas- oder faserverstärktes
Polymer oder Harz, welches mit den Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 10 vereinbar
ist. Beispielhafte faserverstärkte
Verbundmaterialien umfassen Produkte, welche von der Quantum Composites
Company aus Bay City, Michigan, USA, erhältlich sind, erhältlich unter
den folgenden Handelsbezeichnungen: a. "LYTEX 9063", 63% Glasfaserepoxid SMC; b. "LYTEX 4149", 55% Kohlefaserepoxid
SMC; c. "QC8560" glasfaserverstärktes Vinylesterharz
SMC; und d. "QC8880" glasfaserverstärktes Vinylesterharz
SMC.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann der Brennstoffzellenstapel 10 nur den ersten und den zweiten
Stromkollektor 24, 26 umfassen, wobei die erste
und zweite Druckplatte 40, 42 direkt mit den Stromkollektoren 24, 26 verbunden
sind, ohne dass die Wärmeisolationen 36, 38 zwischen
den Stromkollektoren 24, 26 und Druckplatten 40, 42 befestigt sind.
Zusätzlich
können,
wie in 1 gezeigt, die ersten und zweiten leitenden Stifte 28, 30 so
dimensioniert sein, dass sie durch die erste Wärmeisolation 36 und
die erste Druckplatte 40 hindurchreichen, und die dritten
und vierten leitenden Stifte 32, 34 können ähnlich dimensioniert
sein, so dass sie direkt durch die zweite Wärmeisolation und die zweite
Druckplatte 42 hindurch reichen.
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Der
Brennstoffzellenstapel 10 kann auch ein erstes Reaktantenverzweigungssystem 44 und
ein zweites Reaktantenverzweigungssystem 46 aufweisen,
welches mit dem Reaktionsbereich 14 des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden
ist, um Reaktantenströme,
z.B. reduzierendes Fluid und Prozessoxidationsmittelströme in den
Reaktionsbereich 14 des Brennstoffzellenstapels 10 zu
leiten und um Produktströmungen
aus dem Brennstoffzellenstapel 10 zu leiten, wie es in
der Technik bekannt ist. Zusätzlich kann
die erste Druckplatte 40 einen ersten Kühlmittelkopf 48 zum
Leiten eines Kühlmittelstroms
in den Reaktantenbereich 14 des Brennstoffzellenstapels 10 durch
Passagen, welche nicht in 1 gezeigt sind,
definieren. Die erste Druckplatte 40 kann auch eine erste
Ausrichtungsstrebe 50 und eine zweite Ausrichtungsstrebe 52 zum
Unterstützen
des Ausrichtens und Zusammenbaus des Brennstoffzellenstapels 10 aufweisen.
In ähnlicher
Weise kann die zweite Druckplatte 42 ebenfalls einen zweiten
Kühlmittelkopf 54,
eine dritte Ausrichtungsstrebe 56 und eine vierte Ausrichtungsstrebe 58 definieren.
Die erste Druckplatte kann auch eine erste Gasdichtung 57 aufweisen,
welcher als traditionelle "O-Ring"-, periphere, kombinierbare
Dichtung dimensioniert ist, welche sich zwischen der Druckplatte 40 und
der ersten End-Zellenkomponentenplatte 16 erstreckt,
um das Strömen
von irgendwelchen Fluiden durch die Dichtung 57 zu verhindern,
um z.B. das Vermischen von reduzierendem Fluid und Oxidationsmittel
oder Luft-Reaktanten zu verhindern. In ähnlicher Weise kann die zweite
Druckplatte 42 eine zweite Gasdichtung 59 aufweisen,
welche dimensioniert ist, sich zwischen einer Peripherie der Druckplatte
und der zweiten End-Zellenkomponentenplatte 20 zu erstrecken.
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In 2 bis 5 ist
ein exemplarischer verbesserter Stromkollektor 60 und eine
verbesserte Druckplatte 62 gezeigt, welche so ausgelegt
sind, dass Stromkollektor 60 in die Druckplatte 62 hineinpasst.
Der Stromkollektor 60 umfasst einen ersten leitenden Stift 64 und
einen zweiten leitenden Stift 66, welche von einer ersten
Fläche 68 des
Stromkollektors 60 weg ragen. Zusätzlich ist ein erster Kühlmittelkopfausschnitt 70 und
ein zweiter Kühlmittelkopfausschnitt 72 an
entgegengesetzten Ecken des beispielhaften Stromkollektors 60 definiert.
Die beispielhafte Druckplatte 62, in 2 bis 5 gezeigt,
umfasst einen ersten Kühlmittelkopf 74 und
einen zweiten Kühlmittelkopf 76 an
entgegengesetzten Ecken der Druckplatte 62 zum Leiten einer
Strömung
eines kühlenden
Fluids durch die Köpfe 74, 76 und
Brennstoffzellenstapel 10, wie aus der Technik bekannt. Ebenfalls
umfasst sind eine erste Öffnung 78 für einen
leitenden Stift und eine zweite Öffnung 80 für einen
leitenden Stift, welche innerhalb eines zentralen Bereiches der
Druckplatte 62 definiert sind; eine erste Strebe 82 zum
Ausrichten und Montieren und eine zweite Strebe 84 zum
Ausrichten und Montieren an entgegengesetzten Seiten der Platte 62,
welche jeweils Durchbohrungen definieren zur Unterstützung der
Verwendung von Ausrichtungsstangen (nicht gezeigt), welche während des
Zusammenbaus eines Brennstoffzellenstapels verwendet würden, um
bei der Ausrichtung der Brennstoffzellenkomponentenplatten zu helfen.
Die ersten und zweiten Streben 82, 84 zum Ausrichten
und Montieren können
auch verwendet werden, um den Brennstoffzellenstapel 10 während des
Betriebs zu stützen.
Die beispielhafte Druckplatte 62 umfasst auch einen ersten
Zugstangen-Vorsprung 86, einen zweiten Zugstangen-Vorsprung 88,
einen dritten Zugstangen-Vorsprung 90 und einen vierten
Zugstangen-Vorsprung 92, welche jeweils Durchführungen
aufweisen, die so dimensioniert sind, dass sie separate Zugstangen
(nicht gezeigt) aufnehmen können,
welche auch durch eine zweite Druckplatte (z.B. Bezugszeichen Nr. 42 in 1)
hindurch reichen würden,
um beim Aufbringen einer Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel
miteinander zu kooperieren, wie aus der Technik bekannt. Die isolierende
Eigenschaft der Verbund-Druckplatte 62 ermöglicht ein
Entfernen eines dielektrischen Isolierungssystems (nicht gezeigt) von
einem Last-Folgesystem (load follow-up system) (nicht gezeigt).
In der beispielhaften bevorzugten Ausführungsform der Druckplatte 62 ist
die Druck platte 62 auch mit einer Mehrzahl an strukturalen
Rippen 94 gezeigt, welche der Druckplatte 62 mechanische
Festigkeit verleihen. Die Druckplatte 62 könnte auch
ohne strukturale Rippen 94 hergestellt werden, müsste in
einem solchen Fall aber wesentlich dicker sein, um vergleichbare
Festigkeitseigenschaften zu bieten.
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3 zeigt
die beispielhafte Druckplatte 62 dem Betrachter zugewandt,
die Bodenfläche 96 der Druckplatte 62 zeigend.
Die Bodenfläche 96 umfasst eine
Vertiefung 98, welche innerhalb der Bodenfläche 96 definiert
ist, welche bemessen ist, um den beispielhaften Stromkollektor 60 aufzunehmen,
so dass eine Bodenfläche 100 des
Stromkollektors 62 (in 4 gezeigt)
mit der Bodenfläche 96 der
Druckplatte 62 bündig
ist. Eine bevorzugte Ausführungsform
ist in 4 gezeigt, bei welcher die Bodenfläche 100 des
Stromkollektors 60 und die Bodenfläche 96 der Druckplatte 62 im
wesentlichen die gleiche Ebene definieren. Für hier vorliegende Zwecke wird
bei einer solchen Ausführungsform
der Stromkollektor 60 als "bündig
angebracht" innerhalb
der in der Druckplatte 62 definierten Vertiefung 98 bezeichnet.
Durch bündiges
Montieren wirken der Stromkollektor 60 und die Druckplatte 62 gemeinsam,
um die Dichtung der End-Zellenkomponentenplatte 16, 20 an
den Stromkollektor 60 und die Druckplatte zu unterstützen. Ein
derartiges bündiges
Montieren umfasst ein leichtes Vorspringen des Stromkollektors 60 von
der Druckplatte 62, beispielsweise um ca. 1,27 mm, falls die
Druckplatte 62 eine komprimierbare Gasdichtung (wie die
in 1 gezeigte Gasdichtung 57) umfasst, um
einen Abstand für
eine Dichtungskompression zu bieten.
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4 zeigt
eine Bodenperspektivansicht des Stromkollektors 60, welcher
bündig
innerhalb der Vertiefung 98 in der Bodenfläche 96 der
Druckplatte 62 montiert ist. 5 zeigt
eine perspektivische Draufsicht des Stromkollektors 60,
welcher in der Druckplatte 62 montiert ist, bei welchem
eine Kontaktspitze 100 des ersten leitenden Stifts 64 durch
die erste Öffnung 78 für den leitenden
Stift und eine Kontaktspitze 102 des zweiten leitenden
Stifts 66 des Stromkollektors ebenfalls durch die zweite Öffnung 80 für den leitenden
Stift hindurch reichen, welche Öffnungen
in der Druckplatte 62 definiert sind. Weil die leitenden
Stifte 64, 66 so bemessen sind, dass sie sich über die
Druckplatte 62 erstrecken, können die Kontaktspitzen 100, 102 der
leitenden Stifte 64, 66 ohne Probleme an elektrische
Kabel (nicht gezeigt) befestigt werden, um den von der Brennstoffzelle
erzeugten Strom zu einer elektrischen Last zu leiten.
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Es
kann gesehen werden, dass der verbesserte Stromkollektor 60 und
die verbesserte Druckplatte 62 das Gewicht, Volumen und
die Wärmekapazität eines
Brennstoffzellenstapels 10 wesentlich reduzieren, weil
der beispielhafte Stromkollektor 60 aus einem dichten,
leichten, elektrisch leitenden, nicht-porösen Grafit gemacht ist und
dass die beispielhafte Druckplatte 62 aus einem leichten,
festen, elektrisch nicht-leitenden, nicht-metallischen, faserverstärkten Verbundmaterial
gemacht ist. Weil außerdem
die Druckplatte 62 elektrisch nichtleitend ist, ist der
Brennstoffzellenstapel, welcher die Druckplatte verwendet, sicherer,
weil keine elektrisch leitende Platte der Umgebung des Brennstoffzellenstapels ausgesetzt
ist. Auch ist es nicht erforderlich, die Zugstangen oder andere
Komponenten, welche in Kontakt mit der Platte 62 sind,
elektrisch zu isolieren, weil die Druckplatte 62 elektrisch
nicht-leitend ist. Falls auch eine Wärmeisolation 36, 38 zwischen
dem Stromkollektor 60 und der Druckplatte 62 verwendet wird,
wird der Brennstoffzellenstapel jeglichen Wärmeenergieverlust bzw. Wärmeabwanderung
während
des Anfahrens des Brennstoffzellenstapels unter kalten Bedingungen
weiter reduzieren.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit speziellen Ausführungsformen
eines Brennstoffzellenstapels mit verbesserten Stromkollektoren
und Druckplatten beschrieben und dargestellt wurde, versteht es
sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen
und dargestellten Ausführungsformen
begrenzt ist. Beispielsweise können
die relativen Abmessungen des Stromkollektors und der Druckplatte
beträchtlich
variieren, abhängig
von den Abmessungen von verschiedenen Brennstoffzellen-Komponentenplatten
und damit verbundenen Strömungswegen
von Reaktanten- und Produktfluiden und Kühlmittelfluiden innerhalb eines jeweiligen
Brennstoffzellenstapels. Außerdem
können
die ersten und zweiten peripheren komprimierbaren Gasdichtungen 57, 59 ersetzt
werden durch eine Verbindung am Umfang der Druckplatten mit den
End-Zellenkomponentenplatten oder durch andere in der Technik bekannte
Mechanismen zum Verhindern des Vermischens von Fluiden.
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Dementsprechend
sollte zur Bestimmung des Umfangs der Erfindung primär Bezug
auf die folgenden Ansprüche
anstatt auf die vorangehende Beschreibung genommen werden.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel (10), welcher
eine verbesserte Druckplatte (40) und einen Stromkollektor
(24) hat. Der Brennstoffzellenstapel (10) umfasst
eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12),
welche einander benachbart gestapelt sind, um einen Reaktionsbereich (14)
des Brennstoffzellenstapels zu bilden. Ein Stromkollektor (42)
ist dem Stromkollektor (24) benachbart befestigt. Der Stromkollektor
(24) ist aus einem nicht-porösen, elektrisch leitenden Grafitmaterial
gemacht und umfasst mindestens einen leitenden Stift (28),
welcher an dem Kollektor (24) befestigt ist. Die Druckplatte
(40) ist aus einem elektrisch nicht-leitenden, nicht-metallischen,
faserverstärkten
Verbundmaterial gemacht, so dass der Stromkollektor (24)
und die Druckplatte (40) leicht, kompakt und mit geringer
Wärmekapazität sind.