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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und insbesondere eine Separatorströmungsfeldplatte, bei der ein relativ kleiner Druckabfall erforderlich ist, um die notwendigen Strömungsraten zu erreichen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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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 als der Brennstoff an die Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff wird als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen protonendurchlässigen, nicht elektrisch 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 (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen darin enthalten können, die zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren ausgebildet sind.
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Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird typischerweise dazu verwendet, entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (Stapel) abhängig vom Kontext zu bezeichnen. Typischerweise wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, die üblicherweise in elektrischer Reihe angeordnet sind. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die vorher beschriebene Membranelektrodenanordnung (MEA) und jede derartige MEA liefert ihr Spannungsinkrement. Eine Gruppe benachbarter Zellen in dem Stapel wird als ein Cluster bezeichnet.
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Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (1–12) der Anodenreaktand (d. h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (eine Mischung aus O2 und N2) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen wie perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise teure Edelmetallpartikel. Somit sind diese MEAs relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen, die ein richtiges Wassermanagement, eine Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO) für einen effektiven Betrieb umfassen.
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Herkömmlich enthalten die elektrisch leitenden Platten, die die MEAs schichtartig anordnen, ein Reaktandenströmungsfeld zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (d. h. Wasserstoff und Sauerstoff in der Form von Luft) über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode (gemeinsam hier als aktiver Bereich beschrieben). Diese Reaktandenströmungsfelder umfassen konventionell 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. Ein anderer Bipolarplattenaufbau wird beispielsweise in der
DE 102 33 982 A1 beschrieben. Diese Bipolarplatte umfasst eine Mittel- bzw. Endplatte, wenigstens eine Abdeckplatte, und wenigstens eine zwischen Mittel- und Abdeckplatte angeordnete Zwischenplatte, die wenigstens eine zentrale Aussparung zum Verteilen eines Betriebsmittels aufweist, wobei wenigstens eine Erhebung auf der der Zwischenplatte zugewandten Seite der Mittel- bzw. Endplatte vorgesehen ist, die sich in die zentrale Aussparung der Zwischenplatte erstreckt.
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Die Anforderungen für ein gut funktionierendes Strömungsfeld können in lokale Anforderungen und globale Anforderungen charakterisiert werden. Eine lokale Anforderung betrifft allgemein jeden Punkt an dem aktiven Bereich, und eine globale Anforderung betrifft die gesamte Strömungsfeldkonstruktion. Um die lokalen Anforderungen eines gut funktionierendes Strömungsfeldes zu erfüllen, sollte das Strömungsfeld (1) Gas und Befeuchtung liefern, (2) Abgase entfernen und (3) flüssiges Wasser entfernen. Um die globalen Anforderungen eines gut funktionierenden Strömungsfeldes zu erfüllen, sollte das Strömungsfeld (4) lokale Anforderungen an allen Punkten des aktiven Bereiches erfüllen, (5) lokale Anforderungen mit einem vernünftigen niedrigen Gesamtdruckabfall erfüllen, (6) lokale Anforderungen konsistent über die Zeit erfüllen, wodurch eine stabile Strömung erzeugt wird, und (7) lokale Anforderungen bei allen erforderlichen Strömungs- und Lastbedingungen erfüllen.
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Die Anforderung für eine stabile Strömung (6) ist eine schwierig zu erfüllende Anforderung. Zwei Gründe können für diese Schwierigkeit zitiert werden. Zuerst ist es schwierig, exakt zu bestimmen, wann eine stabile Strömung erreicht worden ist, da mehr als ein Zustand existieren, unter denen dies erfolgreich erreicht werden kann. Eine stabile Strömung erfordert die konsistente Entfernung von flüssigem Wasser. Jedoch kann Wasser auf mehr als eine Weise entfernt werden. Beispielsweise kann in einigen Fällen die Gasgeschwindigkeit ausreichend hoch sein, so dass keine Ansammlung von flüssigem Wasser möglich ist. In anderen Fällen kann sich flüssiges Wasser ansammeln und dann ein Druckaufbau stattfinden, was zur Folge hat, dass sich das flüssige Wasser hinausbewegt. In einigen Fällen bewirken eine niedrige Gasgeschwindigkeit wie auch das Unvermögen, Druck aufzubauen, ungünstige Wasserentfernungsbedingungen wie auch eine instabile Gasströmung.
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Der zweite Grund, warum eine stabile Strömung schwierig zu erreichen ist, besteht darin, dass, um diese zu erreichen, andere Strömungsfeldanforderungen Kompromisse eingehen müssen. Beispielsweise stehen die Aspekte einer Strömungsfeldkonstruktion, die die Anforderungen (3) und (6) erfüllt, direkt in Konkurrenz mit Konstruktionsaspekten, die die Anforderungen (4) und (5) erfüllen.
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Die folgenden drei Beispiele demonstrieren die Schwierigkeit bei der Konstruktion eines Strömungsfeldes, das alle Anforderungen gleichzeitig erfüllen kann, die die Herstellung von einem von zwei möglichen stabilen Strömungsbedingungen einschließen, die für eine konsistente Wasserentfernung erforderlich sind. Bei einem ersten Beispiel ist es möglich, eine stabile Strömung durch Herstellung eines Zustandes mit hoher Gasgeschwindigkeit zu erreichen. Ein Zustand mit hoher Gasgeschwindigkeit wird dadurch hergestellt, dass ein Strömungspfad mit einem hohen Druckgradienten konstruiert wird. Jedoch ist für einen durchschnittlich bemessenen aktiven Bereich die Folge einer derartigen Konstruktion ein Strömungsfeld,, das einen nicht akzeptablen hohen Gesamtdruckabfall besitzt. Auf diese Weise werden die Anforderungen (3), (4) und (6) erfüllt, während (5) nicht erfüllt wird.
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Bei einem zweiten Beispiel kann, um den Gesamtdruckabfall zu reduzieren, Beispiel 1 so abgewandelt werden, dass mehr parallele Strömungspfade vorhanden sind, die eine kürzere Länge besitzen. Jedoch werden bei dem Erreichen eines akzeptablen niedrigen Druckabfalls Gasgeschwindigkeiten auf ein Niveau reduziert, bei dem sich flüssiges Wasser aufbauen kann. Anschließend ist mit der Herstellung vieler paralleler Strömungspfade eine Entfernung von flüssigem Wasser durch einen Druckaufbau nicht mehr möglich, da kein Druckaufbau mehr gebildet werden kann. Demgemäß werden die Anforderungen (4) und (5) erfüllt, während (3) und (6) unerfüllt bleiben.
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Bei einem dritten Beispiel kann, um eine Flüssigkeitsentfernung durch einen Druckaufbau zu erleichtern, Beispiel 2 so abgewandelt werden, dass einige der parallelen Strömungspfade weggelassen werden. Wenn jedoch die Anforderung eines niedrigen Gesamtdruckabfalls aufrechterhalten werden soll, ist die Länge, die jedem Strömungspfad hinzugefügt werden kann, um die Entfernung von Strömungspfaden zu kompensieren, begrenzt. In diesem Fall werden alle Anforderungen mit Ausnahme der einen erfüllt, die erfordert, dass das Strömungsfeld den gesamten aktiven Bereich abdeckt. Insbesondere werden die Anforderungen (3), (5) und (6) erfüllt und (4) wird nicht erfüllt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist auf eine Strömungsfeldkonstruktion gerichtet, um stabile Gasströmungen in der Anwesenheit von flüssigem Wasser zu erreichen, wie auch um den Sauerstoffpartialdruck in der Katalysatorschicht zu erhöhen und damit die Zellenleistungsfähigkeit zu steigern. Die Strämungsfeldkonstruktion umfasst einen Einlassverteiler und einen Austragsverteiler, die in zwei versetzten Ebenen angeordnet sind. Ein relativ kurzer Durchgang erstreckt sich von dem Einlassverteiler zu dem Austragsverteiler und endet an einem Diffusionsmedium, so dass eine Fluidverbindung von dem Einlassverteiler durch den Durchgang und das Diffusionsmedium zu dem Austragsverteiler vorgesehen wird. Somit kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um eine konvektive ineinander greifende Strömung durch ein Diffusionsmedium herzustellen, um den Sauerstoffpartialdruck an der Katalysatorschicht zu steigern.
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Bei einem Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf eine Brennstoffzelle gerichtet, die einen ersten Verteiler besitzt, der zwischen einer Membranelektrodenanordnung (MEA) und einem ersten gasundurchlässigen Element definiert ist, wobei ein Satz von Abstandhaltern in dem ersten Verteiler angeordnet ist. Ein zweiter Verteiler ist zwischen dem ersten planaren Element und dem zweiten gasundurchlässigen Element definiert. Das erste gasundurchlässige Element und die Abstandhalter besitzen eine hindurch ausgebildete Öffnung, so dass ein Strömungspfad von dem ersten Verteiler über eine reaktive Seite der MEA zu dem zweiten Verteiler hergestellt wird.
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Bei einem anderen Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf eine Brennstoffzelle mit einer MEA, einer ersten Separatorlage, die in beabstandeter Beziehung zu der Diffusionsmediumlage angeordnet ist, um einen ersten Verteiler dazwischen zu definieren, und einem ersten Satz von Abstandhaltern gerichtet, der in dem ersten Verteiler angeordnet ist, wobei jeder des ersten Satzes von Abstandhaltern eine Öffnung quer zu dem darin gebildeten ersten Verteiler besitzt. Eine zweite Separatorlage ist in beabstandeter Beziehung zu der ersten Separatorlage angeordnet, um einen zweiten Verteiler dazwischen quer zu der Öffnung zu definieren, und ein zweiter Satz von Abstandhaltern ist in dem zweiten Verteiler angeordnet. Ein Strömungspfad ist zwischen dem ersten Verteiler und dem zweiten Verteiler durch die Öffnung über die reaktive Seite der MEA definiert.
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Bei einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer Separatorlage für eine Brennstoffzelle gerichtet, bei dem eine erste leitende Lage auf eine erste Filmlage laminiert wird und ein Teil der ersten leitenden Lage von der ersten Filmlage entfernt wird, so dass ein verbleibender Teil der ersten leitenden Lage eine erste Gruppierung aus Abstandhaltern definiert. Ein Durchgang wird durch jeden der Abstandhalter in der ersten Gruppierung von Abstandhaltern und die erste Filmlage gebildet, um eine Serie paralleler Strömungspfade herzustellen. Eine zweite leitende Lage wird auf eine zweite Filmlage laminiert, und ein Teil der zweiten leitenden Lage wird von der zweiten Filmlage entfernt, so dass ein verbleibender Teil der zweiten leitenden Lage eine zweite Gruppierung von Abstandhaltern definiert. Die zweite Gruppierung von Abstandhaltern wird auf die erste Filmlage entgegengesetzt der ersten Gruppierung von Abstandhaltern laminiert, so dass ein erster Verteiler zwischen der ersten Filmlage und der zweiten Filmlage gebildet wird.
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Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, wobei:
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1 eine isometrische Explosionsdarstellung einer Brennstoffzelle mit einem Paar komplementärer Federdichtungen in einem PEM-Brennstoffzellenstapel ist;
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2 eine teilweise perspektivische Explosionsdarstellung der in 1 gezeigten bipolaren Platte ist;
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3A eine Draufsicht der Austragsseite einer Separatorplatte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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3B eine Draufsicht der Einlassseite der Separatorplatte von 3A ist;
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4A eine teilweise Schnittansicht der Separatorplatte von 3A entlang der Linie 4-4 ist;
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4B eine teilweise Schnittdarstellung der Separatorplatte von
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4A ist, die die jeweiligen Liefer-, Aktivbereichs- und Austragsschenkel des Strömungspfades zeigt;
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4C ein Detail der Einlassseite der Separatorplatte ist;
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4D ein Detail der Austragsseite der Separatorplatte ist;
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5A eine teilweise Draufsicht der Einlassseite einer Separatorplatte gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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5B eine teilweise Draufsicht der Einlassseite einer Separatorplatte gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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6A eine Schnittansicht einer bipolaren Platte durch die Einlasssammelleitung hindurch ist;
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6B eine Schnittdarstellung einer bipolaren Platte durch die Austragssammelleitung hindurch ist; und
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7 ein Strömungsdiagramm ist, das Schritte zum Herstellen einer Separatorplatte gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt schematisch einen teilweisen PEM-Brennstoffzellenstapel 10 mit Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 14, 16, die voneinander durch eine nicht poröse elektrisch leitende bipolare Platte 20 getrennt sind. Die MEAs 14 und 16 und die bipolare Platte 20 sind zwischen nicht porösen elektrisch leitenden bipolaren Platten 22 und 24 aneinander gestapelt. Ein strömungsstörendes Medium 26, 28, 30 und 32, die poröse, gasdurchlässige und elektrisch leitende Lagen sind, werden an die Elektrodenseiten der MEAs 14 und 16 gepresst und dienen als Primärstromkollektoren für die Elektroden. Die strömungsstörenden Medium 26, 28, 30 und 32 sehen auch mechanische Abstützungen für die MEAs 14 und 16 insbesondere an Orten vor, an denen die MEAs ansonsten in dem Strömungsfeld ungestützt sind. Die strömungsstörenden Medien 26, 28, 30 und 32 sehen ferner einen Fluidtransportmechanismus von dem Einlassverteiler über die reaktive Seite der MEA zu dem Austragsverteiler vor.
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Bipolare Platten 22 und 24 werden an den Primärstromkollektor 26 auf der reaktiven Kathodenseite 14c der MEA 14 und den Primärstromkollektor 32 auf der reaktiven Anodenseite 16a der MEA 16 gepresst. Die bipolare Platte 20 presst an das Diffusionsmedium 28 auf der reaktiven Anodenseite 14a der MEA 14 und an den Primärstromkollektor oder das Diffusionsmedium 30 auf n der reaktiven Kathodenseite 16c der MEA 16. Ein Oxidationsmittelgas, wie Sauerstoff oder Luft, wird an die Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 von einer Sauerstoff- oder Luftquelle 38 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 40 geliefert. Ähnlicherweise wird ein Brennstoff, wie Wasserstoff, an die Anodenseite der Brennstoffzelle 10 von einer Wasserstoffquelle 48 über eine geeignete Verrohrung 50 geliefert.
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Unter Bezugnahme auf die 2, 3A, 3B und 4A wird eine Separatorplatte 60 gemäß der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben. Die Separatorplatte 60 ist derart ausgebildet, dass sie eines der Reaktandengase an eine jeweilige Seite der MEA 16 führt. Es sei angemerkt, dass jede bipolare Platte 20, 22 und 24 zwei Separatorplatten 60 umfasst, die in einer Orientierung von Rücken zu Rücken liegen (5A und 5B). Die Separatorplatte 60 umfasst eine erste Gruppierung aus elektrisch leitenden Abstandhaltern oder Scheiben 64, die entlang einer hier auch als Separatorlage bezeichneten gasundurchlässigen Lage 66 angeordnet sind. Eine Öffnung 72 ist durch den Abstandhalter 64 und die Lage 66 ausgebildet. Die Separatorplatte 60 umfasst auch eine zweite Gruppierung aus elektrisch leitenden Abstandhaltern oder Säulen 68, die entlang einer hier auch als Separatorlage bezeichneten gasundurchlässigen Lage 76 angeordnet sind. Wie am besten in den 6A und 6B zu sehen ist, liefert eine Einlasssammelleitung 80A, 80C Reaktandengas von der geeigneten Versorgungsverrohrung 40, 50 in die Separatorplatte 60. Eine Austragssammelleitung 82A, 82C entfernt ausgetragenes Gas von der Separatorplatte 60, wie beschrieben ist.
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Wie es derzeit bevorzugt ist, sind die Abstandhalter 64 in der ersten Gruppierung kreisförmige Scheiben mit einem Durchmesser von etwa 9,5 mm, die an der ersten Lage 66 in einer Gruppierung angeordnet sind, so dass das Zentrum der Abstandhalter 64 in benachbarten Reihen/Spalten bezüglich zueinander versetzt ist. Die Öffnung 72, die durch den Abstandhalter 64 ausgebildet ist, beträgt etwa 1,3 mm. Die Abstandhalter 64 sind an der ersten Lage 66 mit einer Dichte von etwa 0,15 Abstandhaltern pro Quadratzentimeter verteilt. Wie es derzeit bevorzugt ist, sind die Stützen 68 in der zweiten Gruppierung ebenfalls kreisförmige Scheiben mit einem Durchmesser von etwa 3,2 mm, die an der ersten Lage 66 angeordnet sind, so dass ein Untersatz von vier Stützen 68 unter gleichem Winkel über zumindest einem Teil des durch einen darunter liegenden Abstandhalter 64 definierten Bereiches angeordnet ist. Die Stützen 68 sind an der ersten Lage 66 in einer Dichte von etwa 0,60 Säulen pro Quadratzentimeter verteilt.
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Während die oben beschriebene Ausgestaltung der Abstandhalter 64 und der Säulen 68 derzeit bevorzugt ist, ist es für Fachleute offensichtlich, dass die Größe, Form, Dichte, Verteilung und Anordnung der Abstandhalter und Säulen innerhalb der Brennstoffzelle gemäß der Spezifikation und den Betriebsparametern einer gegebenen Brennstoffzellenanwendung gewählt werden können. Beispielsweise, wie in 5A gezeigt ist, sind die Abstandhalter 64' als Sechsecke mit einer Öffnung 72' ausgebildet, die hindurch ausgebildet ist. Ein Satz von Säulen 68 ist als Dreiecke mit einem Untersatz von sechs Dreiecken ausgebildet, die über einem Teil des Bereiches, der durch einen darunter liegenden Abstandhalter 64' definiert ist, angeordnet sind. Bei einem anderen Beispiel, das in 5B gezeigt ist, sind die Abstandhalter 64'' als Quadrate mit einer hindurch ausgebildeten Öffnung 72'' ausgestaltet. Ein Satz von Säulen 68'' ist als Quadrate mit einem Untersatz von vier Quadraten ausgestaltet, die über einem durch mehrere darunter liegende Abstandhalter 64'' definierten Bereich angeordnet sind. Die Begriffe „darüber angeordnet” und „darunter liegend” sind hier in relativer Beziehung verwendet, und für Fachleute ist offensichtlich, dass die Reihenfolge benachbarter Komponenten in der Brennstoffzelle 60 umgedreht werden kann.
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Unter erneuter Bezugnahme auf die 2, 3A–3B und 4A–4D und 6A–6B ist die Separatorplatte 60 detaillierter beschrieben. Eine innere Hauptseite 84 der ersten Lage 66 und eine innere Hauptseite 88 der zweiten Lage 76 definieren dazwischen einen Einlassverteiler 90. Eine Fluidverbindung zwischen dem Einlassverteiler 90 und der Einlasssammelleitung 80 wird durch eine Vielzahl von Kanälen 92, die in dem Rahmen 122 ausgebildet sind, hergestellt. Die Höhe des Einlassverteilers 90 wird durch die Höhe der Säulen 68 definiert. Ein Austragsverteiler 100 ist zwischen einer Außenseite 104 der ersten Lage 66 und einer benachbarten Seite 108 des Diffusionsmediums 30 definiert. Auf diese Weise funktionieren der Einlassverteiler 90 und der Austragsverteiler 100 als eine Vorkammer, über die der Druck hinweg im Wesentlichen konstant ist, d. h. sehr wenig Druckdifferenz in den Verteilerbereichen. Eine Fluidverbindung von dem Austragsverteiler 100 zu der Außenseite des Stapels wird durch direkte Verbindung dieses Verteilers mit der Atmosphäre erreicht. Mit anderen Worten ist der Verteiler 100 entlang seines gesamten Umfangs offen zu der Atmosphäre. Die Höhe des Austragsverteilers 100 wird durch die Höhe der Scheiben 64 definiert. Wie es derzeit bevorzugt ist, ist die Einlasssammelleitung 80 entlang eines Randes der Separatorplatte 60 ausgebildet. Mit Ausnahme der direkten Verbindung des Verteilers 100 zu der Atmosphäre ist keine Austragssammelleitung vorhanden. Jedoch ist es für Fachleute offensichtlich, dass die Einlasssammelleitung und die Austragssammelleitung auf eine beliebige geeignete Art und Weise ausgestaltet sein können, um eine Fluidverbindung des Reaktandengases in und aus dem Strömungsfeld vorzusehen.
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Elektrisch leitende Verbinder 110 sind durch Durchlässe 112 angeordnet, die durch die erste Lage 66, die Säulen 68 und die zweite Lage 76 hindurch ausgebildet sind. Die Verbinder 110 sind so ausgerichtet, dass sie die Säulen 68 elektrisch mit den entsprechenden Scheiben 64 verbinden.
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Die Verbinder 110 sehen eine elektrische Leitung von dem Diffusionsmedium 30 zu einer Außenseite 116 der zweiten Lage 76 vor, wodurch zugelassen wird, dass Strom über die gesamte Dicke der Separatorplatte 60 und anschließend über den gesamten Brennstoffzellenstapel 10 geleitet werden kann. Die Verbinder 110 können Durchlässe mit leitendem Material umfassen, das vollständig darin enthalten ist oder alternativ beispielsweise an einer inneren Umfangswand desselben enthalten ist. Das leitende Material kann beispielsweise Graphit umfassen.
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Mit weiterem Bezug auf die 4B–4D und 6A–6B wird der Betrieb der Separatorplatte 60 beschrieben. Der Strömungspfad des Reaktandengases ist durch drei getrennte Strömungssegmente gekennzeichnet, nämlich einen Lieferschenkel (D), einen Aktivbereichschenkel (A) und einen Austragsschenkel (E). Beim Lieferschenkel (D) tritt das Reaktandengas in die Separatorplatte 60 an der Einlasssammelleitung 80 ein und strömt durch den Einlassverteiler 90. Das Reaktandengas strömt relativ frei (d. h. ohne größeren Druckabfall und ohne vorbestimmten Pfad) um die jeweiligen Stützen 68 herum und ist innerhalb einer seitlichen Begrenzung (3) in dem Einlassverteiler 90 enthalten, die durch den Innenrand 120 eines Rahmens 122 definiert ist. Von dem Einlassverteiler 90 wird das Reaktandengas durch die jeweiligen Öffnungen 72 in den Scheiben 64 und die erste Lage 66 geführt.
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Der Aktivbereichschenkel (A) ist so ausgebildet, dass er einen gesteuerten Druckabfall besitzt. Da der Aktivbereichschenkel (A) nahezu jeden Druckabfall des Strömungspfads berücksichtigt, umfasst er ein strömungsstörendes Medium, das eine gut gesteuerte Permeabilität, Länge wie auch Querschnittsfläche besitzt. Das strömungsstörende Medium besitzt eine geringere Permeabilität bezüglich leerem Raum in den Einlass/Austragsverteilern 90, 100, um zu garantieren, dass der Druckabfall des Aktivbereichschenkels (A) erheblich höher als der des Lieferschenkels (D) und des Austragsschenkels (E) ist. Beim Aktivbereichschenkel (A) tritt das Reaktandengas in das strömungsstörende Medium 30 von der Öffnung 72 ein, gelangt über die Seite der MEA (nicht gezeigt) und verlässt das strömungsstörende Medium 30 an einer Außenbegrenzung 126 (4A) des Abstandhalters 64.
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Wie in 2 und 4D gezeigt ist, befindet sich der Aktivbereichschenkel (A) radial von der Öffnung 72 benachbart der Fläche des Abstandhalters 64. Auf diese Weise wird ein planares oder zweidimensionales Strömungsfeld im Vergleich zu einem kanalisierten oder eindimensionalen Strömungsfeld vorgesehen, das eine Differenzströmungsverteilung über die reaktive Seite der MEA ermöglicht. Die Abmessung des Abstandhalters 64 stellt die Länge des Strömungspfades (A) her. Die Anzahl von Abstandhaltern 64 stellt die Anzahl paralleler Pfade her. Somit ist das planare Strömungsfeld ähnlich einem Strömungsfeld mit ineinander greifenden Kanälen, jedoch wesentlich weniger anfällig gegenüber einer Wasserblockierung, da das Reaktandengas nicht dazu gezwungen wird, in einer Richtung in dem Kanal zu strömen. Dieses ineinander greifende Strömungsfeld ist nützlich, da Sauerstoff durch die Primärstromkollektoren durch Konvektion anstatt durch Diffusion geführt wird, was erheblich geringere Massentransportverluste ermöglicht.
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Der Umfang des Abstandhalters 64 multipliziert mit der Dicke des Diffusionsmediums stellt die Querschnittsfläche des Strömungspfads (A) her. Die Permeabilität des Diffusionsmediums stellt die Permeabilität des Strömungspfades her. Daher stellen diese Parameter den Druckgradienten und den Gesamtdruckabfall des Aktivbereichschenkels (A) abhängig von der Anzahl paralleler Pfade über den aktiven Bereich her. Der Grad, bis zu dem eine gleichmäßige Strömungsverteilung über jeden parallelen Pfad erreicht wird, wird durch Toleranzen bestimmt, innerhalb denen diese Parameter gehalten werden können. Da die Dimensionsabmessungen (Radius und Dicke) größtenteils klein im Vergleich zu der Variation der Permeabilität des Diffusionsmediums sind, bestimmt die Permeabilität des Diffusionsmediums, wie gleichmäßig eine Strömung verteilt wird. Das Strömungsfeld der vorliegenden Erfindung ist sehr effektiv bei der Entfernung von Wasser, da der Druckabfall über einen relativ kurzen Aktivbereichschenkel konzentriert ist. Infolgedessen ist die Gasgeschwindigkeit in diesem Segment des Strömungspfades sehr hoch, so dass flüssiges Wasser über Zwang weg von der Geschwindigkeit der MEA und in den Austragsverteiler bewegt wird, wo es von der Brennstoffzelle ausgestoßen werden kann.
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Unter erneuter Bezugnahme auf die 4B und 4D ist der Austragspfad (E) von dem Punkt, an dem die Reaktandenströmung das strömungsstörende Medium 30 an dem Rand 126 des Abstandhalters 64 verlässt, zu dem Punkt definiert, an dem die Strömung die Separatorplatte 60 durch die Austragssammelleitung 82 verlässt. Die ausgetragene Strömung gelangt relativ frei (d. h. ohne großen Druckabfall oder vorbestimmten Pfad) um die Außenbegrenzungen 126 des Abstandhalters 64 und ist in einem Rahmen oder einer Dichtung 130 (2) enthalten.
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Zurück zu den 6A und 6B sind die beiden Separatorplatten 60, die hier beschrieben sind, in einer Ausgestaltung von Rücken zu Rücken angeordnet und bilden die bipolare Platte 20. Es sei angemerkt, dass die zweite Lage 76, wie in 4A gezeigt ist, eine einzelne Lage umfassen kann, wenn sie in der bipolaren Platte 20 angeordnet ist. Der Deutlichkeit halber ist die zweite Separatorplatte mit gleichen Komponenten gezeigt und mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, aber um 200 erhöht. Bei der gezeigten Ausgestaltung ist die Separatorplatte 60 so angeordnet, dass sie den Kathodenreaktand an das strömungsstörende Medium 30 liefert, und die Separatorplatte 260 ist so angeordnet, dass sie den Anodenreaktand an das strömungsstörende Medium 28 liefert. Die elektrischen Verbinder 110 sind mit komplementären elektrischen Verbindern 210 ausgerichtet, um eine elektrische Verbindung zwischen benachbarten MEAs 14 und 16 vorzusehen.
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Mit erneuter Bezugnahme auf 7 ist graphisch ein Verfahren zur Herstellung der Separatorplatte 60 in einem Flussschaubild dargestellt, das allgemein mit Bezugszeichen 300 gezeigt ist. Der Aufbau des Strömungsfeldes wird durch Verwendung von flexiblen Schaltungsmaterialien und Fabrikationstechniken erreicht. Bei Schritt 302 wird eine erste Lage aus leitendem Material auf einen gasundurchlässigen Polymerfilm laminiert, wie einen Polyimidfilm. Das leitende Material ist bevorzugt rostfreier Stahl mit einer Dicke von beispielsweise 0,25 mm. Der Polyimidfilm umfasst bevorzugt 0,05 mm dicke Lagen aus Material. Ein geeigneter Polyimidfilm umfasst Kapton®, der von E. I. DuPont Corporation hergestellt wird. Bei Schritt 304 wird das leitende Material in ein gewünschtes Muster geätzt, wie eine Gruppierung aus Scheiben. Nach dem Ätzen erstreckt sich die Gruppierung von Scheiben bevorzugt um 0,25 mm von dem Polyimid.
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Bei Schritt 306 werden die Durchgänge in den Scheiben ausgebildet. Die Durchgänge können durch eine beliebige geeignete Technik, wie Ätzen, geformt werden. Bei Schritt 308 wird eine zweite Lage aus leitendem Material auf eine zweite Lage aus gasundurchlässigem Polymerfilm laminiert. Wie es derzeit bevorzugt ist, ist die zweite Lage aus leitendem Material 0,25 mm rostfreier Stahl und die zweite Lage aus Polymerfilm ist 0,05 mm Kapton®-Film. Bei Schritt 312 wird die leitende Schicht geätzt, um die Säulen auf eine ähnliche Weise zu formen, wie bezüglich der Scheiben beschrieben worden ist. Bei Schritt 318 wird die Stützenseite der zweiten Lage aus Polyimidfilm auf die erste Lage aus Polyimidfilm auf einer Oberfläche, die den Scheiben gegenüberliegt, laminiert. Der zwischen der ersten und zweiten Polyimidlage erzeugte Raum definiert den Lieferpfad oder Einlassverteiler. Bei Schritt 324 werden Durchlässe in die Separatorplatte integriert, die sich durch die zweite Lage aus Polyimid, durch jede der Stützen und durch die erste Lage aus Polyimid erstrecken.
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Bei Schritt 330 wird das elektrisch leitende Material durch die Durchlässe angeordnet, um elektrisch leitende Pfade zu bilden. Die elektrisch leitenden Pfade können dadurch ausgebildet werden, dass die Durchgänge vollständig mit leitendem Material gefüllt werden oder die Umfangswand der Durchgänge mit leitendem Material beschichtet wird. Die elektrisch leitenden Pfade erlauben, dass Strom über das gesamte Strömungsfeld wie auch zwischen benachbarten Separatorplatten und schließlich den Brennstoffzellenstapel als Ganzes geführt werden kann.
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Für Fachleute wird es aus der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen ausgeführt werden können. Beispielsweise stellt die Anzahl von Abstandhaltern 64, die an der Separatorplatte 60 gezeigt sind, die Anzahl paralleler Strömungspfade her und kann mit kleineren oder größeren bzw. weniger oder mehr Scheiben ausgestaltet werden. Die geometrische Ausgestaltung der Abstandhalter 64 kann alternativ andere Formen umfassen, wie beispielsweise Rechtecke, Dreiecke oder Trapeze. Überdies können die Säulen 68, die die Höhe des Einlassverteilers 90 definieren, alternative Formen umfassen, wie oben beschrieben ist. Zusätzlich können, während es gezeigt ist, dass vier Stützen 68 einen einzelnen Abstandhalter 64 ergänzen, andere Verhältnisse verwendet werden.
