DE102008038201B4

DE102008038201B4 - Brennstoffzellenplatte und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102008038201B4
Application number: DE102008038201.9A
Authority: DE
Inventors: Michael K. Budinski; William Pettit; Ivan D. Chapman
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2028-08-19
Also published as: CN101373837B; CN101373837A; US20090053563A1; US7820335B2; DE102008038201A1

Abstract

Brennstoffzellenplatte, umfassend: eine Platte (400) mit mehreren ersten Sammelleitungen (406), die an einem ersten Ende der Platte (400) angeordnet sind, mehreren zweiten Sammelleitungen (406), die an einem zweiten Ende der Platte (400) angeordnet sind, und mehreren daran geformten aktiven Gebieten (402, 404), wobei jede der mehreren ersten Sammelleitungen (406) eine Einlassdurchbrechung (410) aufweist, jede der mehreren zweiten Sammelleitungen (406) eine Auslassdurchbrechung (412) aufweist, jedes der mehreren aktiven Gebiete (402, 404) zwischen einer der ersten Sammelleitungen (406) und einer der zweiten Sammelleitungen (406) angeordnet ist, jedes der mehreren aktiven Gebiete (402, 404) in Fluidverbindung mit der Einlassdurchbrechung der zugeordneten ersten Sammelleitung (406) und ferner in Fluidverbindung mit der Auslassdurchbrechung (412) der zugeordneten zweiten Sammelleitung (406) steht, die Einlassdurchbrechungen (410) derart ausgebildet sind, um gasförmige Reaktanden selektiv an das zugeordnete aktive Gebiet (402, 404) zu liefern, und die aktiven Gebiete (402, 404) Strömungsfelder aufweisen, die derart ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden aufzunehmen, und die aktiven Gebiete (402, 404) durch dielektrische Teiler (408) getrennt sind und durch die dielektrischen Teiler (408) voneinander elektrisch isoliert sind.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung und insbesondere eine Platte, wie eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzellenanordnung, die mehrere aktive Gebiete besitzt, die elektrisch voneinander isoliert sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Brennstoffzelle ist als eine reine, effiziente sowie umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Insbesondere ist die Brennstoffzelle als eine potentielle Alternative zu den herkömmlichen Verbrennungsmotoren, die in modernen Fahrzeugen verwendet werden, erkannt worden.
Ein Typ von Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst typischerweise drei Grundkomponenten: eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Kathode und die Anode umfassen typischerweise einen fein geteilten Katalysator, wie Platin, der auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist schichtartig zwischen der Kathode und der Anode angeordnet, um eine Membranelektrolytanordnung (MEA) zu bilden. Die MEA ist oftmals zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) angeordnet, die eine Zufuhr von gasförmigen Reaktanden, typischerweise Wasserstoff und Sauerstoff aus Luft, für eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion erleichtern.
Wie es in dem US 6,127,058 A beschrieben ist, können einzelne Brennstoffzellen in einer planaren Gruppierung ausgerichtet sein, die über Verbindungsstecker elektrisch verbunden ist. Auch in US 6,080,503 A und 6,495,278 B1 sind elektrochemische Brennstoffzellenstapel, die verklebte Schichten, die für einzelne Brennstoffzellenmodule geformt sind, besitzen, beschrieben worden. Brennstoffzellenanordnungen vom PEM-Typ mit mehreren parallelen Brennstoffzellen-Unterstapeln, die geteilte Fluidplattenanordnungen und geteilte Membranelektrodenanordnungen verwenden, sind auch in der US 5,945,232 A offenbart.
Bei Kraftfahrzeuganwendungen werden einzelne Brennstoffzellen oftmals in Reihe aneinandergestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel mit einer Spannung zu bilden, die ausreichend ist, um Leistung an ein Elektrofahrzeug zu liefern. Eine Verbindung einzelner Brennstoffzellen in Reihe erfordert jedoch die Herstellung wie auch Handhabung einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellen. Eine Höhe des resultierenden Brennstoffzellenstapels, der die Vielzahl einzelner Brennstoffzellen aufweist, kann eine Anordnung des Brennstoffzellenstapels in einem Elektrofahrzeug beschränken. Ferner werden typischerweise DC/DC-Spannungswandler in Brennstoffzellensystemen verwendet, um zu ermöglichen, dass der Brennstoffzellenstapel die ausreichende Spannung erreicht. Spannungswandler und damit in Verbindung stehende Komponenten tragen zu einer unerwünschten Komplexität des Brennstoffzellensystems bei.
Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einer einfachen Brennstoffzellenanordnung, die dem Bedarf nach DC/DC-Wandlern und dem Bedarf zur Herstellung einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellen entgegenwirkt sowie eine Platzierung der Brennstoffzellenanordnung in einem Fahrzeug erleichtert.
Brennstoffzellenanordnungen, Bipolarplatten für Brennstoffzellenanordnungen und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung sind aus den Druckschriften US 2004/0 157 103 A1 , US 6 080 290 A , US 2007/0 117 005 A1 und EP 1 505 674 A1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung ist überraschend eine vereinfachte Brennstoffzellenanordnung entdeckt worden, die der Notwendigkeit nach DC/DC-Wandlern entgegenwirkt, der Notwendigkeit entgegenwirkt, mehrere einzelne Brennstoffzellen herzustellen, und eine Platzierung der Brennstoffzellenanordnung in einem Fahrzeug erleichtert.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenplatte umfasst eine Platte mit mehreren ersten Sammelleitungen, die an einem ersten Ende der Platte angeordnet sind, mehreren zweiten Sammelleitungen, die an einem zweiten Ende der Platte angeordnet sind, und mehreren daran geformten aktiven Gebieten. Jede der mehreren ersten Sammelleitungen weist eine Einlassdurchbrechung auf, jede der mehreren zweiten Sammelleitungen weist eine Auslassdurchbrechung auf, jedes der mehreren aktiven Gebiete ist zwischen einer der ersten Sammelleitungen und einer der zweiten Sammelleitungen angeordnet und jedes der mehreren aktiven Gebiete steht in Fluidverbindung mit der Einlassdurchbrechung der zugeordneten ersten Sammelleitung und ferner in Fluidverbindung mit der Auslassdurchbrechung der zugeordneten zweiten Sammelleitung. Die Einlassdurchbrechungen sind derart ausgebildet, um gasförmige Reaktanden selektiv an das zugeordnete aktive Gebiet zu liefern. Die aktiven Gebiete weisen Strömungsfelder auf, die derart ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden aufzunehmen. Die aktiven Gebiete sind durch dielektrische Teiler getrennt und durch die dielektrischen Teiler voneinander elektrisch isoliert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenanordnung umfasst das Bereitstellen mehrerer Brennstoffzellenstapel, wobei die Brennstoffzellenstapel die vorstehend beschriebene Platte als Bipolarplatte umfassen und die mehreren Brennstoffzellenstapel ferner mehrere Membranelektrodenanordnungen aufweisen. Jedes der aktiven Gebiete der Bipolarplatte ist zwischen einem Paar der Membranelektrodenanordnungen gestapelt. Ferner ist jeder der Brennstoffzellenstapel derart ausgebildet ist, um eine zugeordnete Zufuhr gasförmiger Reaktanden aufzunehmen. Die Brennstoffzellenstapel werden in elektrischer Reihe verschaltet, und gasförmige Reaktanden werden selektiv an jeden der mehreren Brennstoffzellenstapel geliefert. Dadurch wird eine Brennstoffzellenanordnung bereitgestellt, die eine Spannung besitzt, die ausreichend ist, um ein Elektrofahrzeug mit Leistung zu beaufschlagen.
ZEICHNUNGEN
Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere angesichts der nachfolgend beschriebenen Zeichnungen leicht offensichtlich, in welchen:
1 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik zeigt, wobei nur zwei Zellen gezeigt sind;
2 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren in Reihe verschalteten Brennstoffzellenstapeln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
3 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren in Reihe verschalteten Brennstoffzellenstapeln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist; und
4 eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer modularisierten Brennstoffzellenplatte und einer modularisierten Membrananordnung der in 3 gezeigten Brennstoffzellenanordnung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, die vorliegende Anwendung oder den vorliegenden Gebrauch zu beschränken. Es sei auch zu verstehen, dass in allen Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhafter Natur und somit nicht notwendig oder kritisch.
1 zeigt einen illustrativen Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar von MEAs 4, 6, die voneinander durch eine elektrisch leitende Bipolarplatte 8 getrennt sind. Der Einfachheit halber ist nur ein zwei Zellen umfassender Stapel (d. h. eine Bipolarplatte) in 1 gezeigt und beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass der typische Brennstoffzellenstapel 2 viel mehr derartige Zellen und Bipolarplatten besitzt.
Die MEAs 4, 6 und die Bipolarplatte 8 sind zwischen einem Paar von Klemmplatten 10, 12 und einem Paar von unipolaren Endplatten 14, 16 aneinander gestapelt. Die Klemmplatten 10, 12 sind von den Endplatten 14, 16 durch ein Dichtungselement oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) elektrisch isoliert. Die unipolare Endplatte 14, beide Arbeitsseiten der Bipolarplatte 8 sowie die unipolare Endplatte 16 umfassen jeweilige aktive Bereiche 18, 20, 22, 24. Die aktiven Bereiche 18, 20, 22, 24 sind typischerweise Strömungsfelder zur Verteilung gasförmiger Reaktanden, wie Wasserstoffgas und Luft, über eine Anode bzw. eine Kathode der MEAs 4, 6.
Die Bipolarplatte 8 wird typischerweise durch einen herkömmlichen Prozess zur Formgebung von Blech geformt, wie beispielsweise Prägen, Stanzen, Zerspanen, maschinelle Bearbeitung, Formen oder Photoätzen durch eine photolithografische Maske. Bei einer Ausführungsform wird die Bipolarplatte 8 aus Unipolarplatten geformt, die dann verbunden werden. Es sei ferner zu verstehen, dass die Bipolarplatte 8 auch aus einem Kompositmaterial geformt sein kann. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird die Bipolarplatte 8 aus einem Graphit oder graphitgefüllten Polymer geformt.
Nichtleitende Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 vor. Gaspermeable Diffusionsmedien 34, 36, 38, 40 befinden sich benachbart der Anoden und der Kathoden der MEAs 4, 6. Die Endplatten 14, 16 sind benachbart der Diffusionsmedien 34 bzw. 40 angeordnet, während die Bipolarplatte 8 benachbart der Diffusionsmedien 36 an der Anodenseite der MEA 4 angeordnet ist. Die Bipolarplatte 8 ist ferner benachbart der Diffusionsmedien 38 auf der Kathodenseite der MEA 6 angeordnet.
Die Bipolarplatte 8, die unipolaren Endplatten 14, 16 wie auch die Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 umfassen jeweils eine Kathodenzufuhrdurchbrechung 72 und eine Kathodenaustragsdurchbrechung 74, eine Kühlmittelzufuhrdurchbrechung 75 und eine Kühlmittelaustragsdurchbrechung 77 und eine Anodenzufuhrdurchbrechung 76 und eine Anodenaustragsdurchbrechung 78. Zufuhrverteiler und Austragsverteiler des Brennstoffzellenstapels 2 werden durch eine Ausrichtung der jeweiligen Durchbrechungen 72, 74, 75, 77, 76, 78 in der Bipolarplatte 8, der unipolaren Endplatten 14, 16 und der Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 geformt. Das Wasserstoffgas wird über eine Anodeneinlassleitung 80 an einen Anodenzufuhrverteiler geliefert. Die Luft wird über eine Kathodeneinlassleitung 82 an einen Kathodenzufuhrverteiler des Brennstoffzellenstapels 2 geliefert. Es sind auch eine Anodenauslassleitung 84 und eine Kathodenauslassleitung 86 für einen Anodenaustragsverteiler bzw. einen Kathodenaustragsverteiler vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung 88 ist zur Zufuhr von flüssigem Kühlmittel an einen Kühlmittelzufuhrverteiler vorgesehen. Eine Kühlmittelauslassleitung 90 ist zur Entfernung von Kühlmittel von einem Kühlmittelaustragsverteiler vorgesehen. Es sei zu verstehen, dass die Konfigurationen der verschiedenen Einlässe 80, 82, 88 und Auslässe 84, 86, 90 in 1 dem Zweck der Veranschaulichung dienen und gegebenenfalls andere Konfigurationen gewählt werden können.
2 zeigt mehrere einzelne Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheiten in einer Brennstoffzellenanordnung 200. Die mehreren einzelnen Brennstoffzellenstapel 2 können benachbart zueinander angeordnet sein, um eine ”Bank” aus Brennstoffzellenstapeln 2 zu bilden, wodurch eine passende Platzierung der Brennstoffzellenanordnung 200 in einem Fahrzeug ermöglicht wird. Jeder der Brennstoffzellenstapel 2 ist derart ausgebildet, um eine zugeordnete Zufuhr von gasförmigen Reaktanden aufzunehmen. Das zugeordnete Zuführen von gasförmigen Reaktanden ermöglicht eine unabhängige Steuerung der Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheiten der Brennstoffzellenanordnung 200.
Die Brennstoffzellenstapel 2 sind in Reihe mit einem ersten Anschluss 202 und einem zweiten Anschluss 204 elektrisch verschaltet. Beispielsweise kann der erste Anschluss 202 mit einer der Endplatten 14 der Brennstoffzellenstapel 2 verbunden sein und der zweite Anschluss 204 kann mit einer der Endplatten 16 der Brennstoffzellenstapel 2 verbunden sein. Der erste Anschluss 202 und der zweite Anschluss 204 stehen in elektrischer Verbindung mit einer externen Last (nicht gezeigt), wie beispielsweise einem Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder einer Batteriebank.
3 zeigt mehrere Brennstoffzellenstapel 2, die miteinander verbunden sind, um die Brennstoffzellenanordnung 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu bilden. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst die Brennstoffzellenanordnung 200 zumindest eine elektrisch isolierende Schicht 300, die zwischen benachbarten Brennstoffzellenstapeln 2 angeordnet ist. Die elektrisch isolierende Schicht 300 ist aus einem beliebigen herkömmlichen, elektrisch isolierenden Material geformt, das in der Technik bekannt ist, wie beispielsweise einem thermoplastischen Material und einem duroplastischem Material. Es sei zu verstehen, dass das thermoplastische Material und das duroplastische Material starr oder elastisch sein können. Der Fachmann kann erkennen, dass gegebenenfalls andere geeignete Isolationsmaterialien verwendet werden können.
4 zeigt eine modularisierte Platte 400 der Brennstoffzellenanordnung 200. Die modularisierte Platte 400 ist derart ausgebildet, dass sie mit entsprechenden Brennstoffzellenkomponenten, wie MEAs, Dichtungselementen und Endplatten, in einer Konfiguration gestapelt werden kann, die im Wesentlichen so ist, wie in 1 gezeigt ist. Der hier verwendete Begriff ”modularisiert” bedeutet, dass die modularisierten Platten 400 im gestapelten Zustand, um die Brennstoffzellenanordnung 200 zu bilden, unabhängig arbeitende Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheiten bereitstellen. Es sei zu verstehen, dass die modularisierte Platte 400 gegebenenfalls eine Bipolarplatte oder eine Unipolarplatte sein kann. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die modularisierte Platte 400 mit mehreren aktiven Gebieten 402, 404 geformt. Die aktiven Gebiete 402, 404 der modularisierten Platte 400 sind elektrisch leitend und dienen als Stromkollektoren für die Brennstoffzellenstapel 2 in der Brennstoffzellenanordnung 200. Die aktiven Gebiete 402, 404 sind voneinander elektrisch isoliert.
Sammelleitungen 406 sind an einem ersten Ende und einem zweiten Ende der modularisierten Platte 400 angeordnet. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die Sammelleitungen 406 aus einem elektrisch isolierenden oder dielektrischen Material geformt, das einen elektrischen Widerstand besitzt, der ausreichend ist, um einem Fluss von elektrischem Strom hindurch entgegenzuwirken. Die aktiven Gebiete 402, 404 sind ferner durch elektrisch isolierende Teiler 408 getrennt. Die elektrisch isolierenden Teiler 408 können aus einem beliebigen herkömmlichen, elektrisch isolierenden Material geformt sein, das in der Technik bekannt ist, wie beispielsweise einem thermoplastischen Material oder einem duroplastischen Material. Es sei zu verstehen, dass das thermoplastische Material und das duroplastische Material starr oder elektrometrisch sein können.
Der Fachmann kann erkennen, dass gegebenenfalls andere geeignete Isolationsmaterialien verwendet werden können.
Die Brennstoffzellenanordnung 200 kann eine Einfassung oder einen Rahmen (nicht gezeigt) aufweisen. Bei bestimmten Ausführungsformen hält der Rahmen die modularisierte Platte 400. Der Rahmen kann aus einer Anzahl geeigneter Materialien aufgebaut sein, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, dielektrischen Materialien, wie starren Thermoplasten, Duroplasten, Elastomeren sowie thermoplastischen Elastomeren. Bei bestimmten Ausführungsformen ist der Rahmen einteilig mit zumindest einer der Sammelleitungen 406 und den elektrisch isolierenden Teilern 408 ausgebildet. Es kann ferner angestrebt werden, eine einteilige Dichtung an die modularisierten Platten 400, beispielsweise über den Rahmen, anzuformen. Die einteilige Dichtung kann durch einen in der Technik bekannten Formgebungsprozess geformt werden.
Die Sammelleitungen 406 können mehrere Einlassdurchbrechungen 410 und mehrere Auslassdurchbrechungen 412 aufweisen, die mehrere Einlassverteiler bzw. mehrere Auslassverteiler definieren, wenn die Brennstoffzellenanordnung 200 vollständig zusammengebaut ist. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Einlass- und Auslassdurchbrechungen 410, 412 in der Einfassung oder dem Rahmen geformt. Bei einer Ausführungsform umfassen die Sammelleitungen 406 eine daran einteilig angeformte Dichtung.
Die Einlass- und Auslassdurchbrechungen 410, 412 entsprechen im Wesentlichen den Einlass- und Auslassdurchbrechungen 72, 74, 76, 78. Es sei angemerkt, dass jede Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheit eine Zufuhr von Reaktanden über zugeordnete Zufuhrverteiler aufnimmt, die durch die Einlassdurchbrechungen 410 geformt sind. Die mit den modularisierten Platten 400 geformten Brennstoffzellenstapel 2 werden daher unabhängig betreibbar.
Bei einer bestimmten Ausführungsform steht jedes der aktiven Gebiete 402, 404 in Fluidverbindung mit einer zugeordneten Einlassdurchbrechung 410. Die Einlassdurchbrechungen 410 sind dadurch derart ausgebildet, dass sie selektiv gasförmige Reaktanden, wie Luft und Wasserstoff, nach Bedarf an die aktiven Gebiete 402, 404 liefern. Jedes der mehreren aktiven Gebiete 402, 404 kann ferner in Fluidverbindung mit einer zugeordneten Auslassdurchbrechung 412 stehen. Bei einer illustrativen Ausführungsform liefert die einzelne Einlassdurchbrechung 410 die gasförmigen Reaktanden an eines der aktiven Gebiete 402. Die einzelne Auslassdurchbrechung 412 kann derart ausgebildet sein, um einen Abgasstrom unabhängig von dem einzelnen aktiven Gebiet 402 aufzunehmen.
Der Fachmann kann erkennen, dass die Brennstoffzellenanordnung 200 dadurch auf eine gewünschte Spannung eingestellt werden kann, dass eine Zufuhr von gasförmigen Reaktanden an einen Anteil der mit den modularisierten Platten 400 geformten Brennstoffzellenstapel 2 begrenzt wird. Beispielsweise können gasförmige Reaktanden selektiv an einige Brennstoffzellenstapel 2 geliefert werden und nicht an andere Brennstoffzellenstapel 2 geliefert werden, die durch die modularisierte Platte 400 geformt sind. Beispielsweise können, wenn eine einzelne Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheit betriebsunfähig wird oder beginnt, ein unerwünschtes Betriebsverhalten aufzuweisen, die gasförmigen Reaktanden von der betriebsunfähigen Einheit weggelenkt werden und die Zufuhr an andere Einheiten kann dementsprechend eingestellt werden.
Ähnlicherweise sei dem Fachmann angemerkt, dass die modularisierten Platten 400, die die Einlassdurchbrechungen 410 besitzen, die derart ausgebildet sind, um gasförmige Reaktanden selektiv an die aktiven Gebiete 402, 404 zu liefern, Betriebsstrategien ermöglichen, wie beispielsweise einen Strömungswechsel oder ein Umschalten der Stapelreihenfolge. Ein Strömungswechsel betrifft eine wechselweise Strömung von gasförmigen Reaktanden durch einen ersten Stapel und einen zweiten Stapel, die in Reihe verschaltet sind, wobei eine Richtung der Strömung durch die Stapel abwechselt. Ein Schalten der Stapelreihenfolge betrifft eine wechselweise Strömung von gasförmigen Reaktanden durch den ersten Stapel zu dem zweiten Stapel, die in Reihe verschaltet sind, wobei die Richtung der Strömung durch die Brennstoffzellenstapel 2 konstant bleibt. Diese Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenstapel 2 können eine Feuchtigkeitssteuerung erleichtern sowie eine Betriebsfähigkeit der Brennstoffzellenstapel 2 optimieren.
Wie ferner in 4 gezeigt ist, kann eine einzelne, modularisierte MEA 414 mehrere Katalysatorgebiete 416, 418 besitzen, die die Anoden und Kathoden der Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheiten bilden. Die mehreren Katalysatorgebiete 416, 418 können durch eine Elektrolytmembran getrennt sein, wobei die Katalysatorgebiete 416, 418 beispielsweise durch einen Patch-Coating-Prozess aufgebracht werden. Bei einer anderen Ausführungsform besitzt die MEA 414 den Katalysator im Wesentlichen gleichmäßig entlang einer Länge der Flächen der MEA 414 angeordnet, wobei die Katalysatorgebiete 416, 418 durch Öffnungen in einer Matrix- oder einer Siebschicht, die mit den Flächen der MEA 414 verbunden ist, geformt sind. Die Matrix- oder Siebschicht ist über dem Katalysator angeordnet und besitzt Öffnungen, die die Grenzen der Katalysatorgebiete 416, 418 freilegen und definieren. Die Matrix oder der Sieb können an einem dielektrischen Material geformt sein, wie hier beschrieben ist. Gegebenenfalls können auch andere geeignete Mittel zum Aufbringen der Katalysatorgebiete 416, 418 verwendet werden.
Die modularisierte MEA 414 ist zur Montage mit den modularisierten Platten 400 konfiguriert. Die modularisierte Platte 400 ist allgemein zwischen einem Paar der modularisierten MEAs 414 angeordnet. Als ein nicht beschränkendes Beispiel sind die Katalysatorgebiete 416, 418 mit den aktiven Gebieten 402, 404 der modularisierten Platte 400 ausgerichtet und derart ausgebildet, dass sie an die aktiven Gebiete 402, 404 der modularisierten Platte 400 angrenzen, wenn die modularisierte Platte 400 und die modularisierte MEA 414 in der Brennstoffzellenanordnung 200 angeordnet sind.
Dem Fachmann sei angemerkt, dass die modularisierten Platten 400 und die modularisierten MEAs 414 im zusammengebauten Zustand mehrere unabhängig voneinander funktionierende Brennstoffzellenstapel 2 bilden. Somit können die Brennstoffzellenstapel 2, die mit den modularisierten Platten 400 geformt sind, im Wesentlichen unabhängig voneinander betrieben werden, indem eine Strömung der gasförmigen Reaktanden zu den Brennstoffzellenstapeln 2 gesteuert wird. Die unabhängigen Brennstoffzellenstapel 2, die aus den modularisierten Platten 400 und den MEAs 414 geformt sind, können auch elektrisch in Reihe verschaltet sein, um eine gewünschte Spannung bereitzustellen.
In einer typischen Brennstoffzellenanordnung wird ein Spannungswandler (nicht gezeigt) verwendet, um die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels zu verstärken. Bei der vorliegenden Erfindung bilden mehrere Brennstoffzellenstapel-(2)-Einheiten, die in Reihe verschaltet sind, eine Brennstoffzellenanordnung 200, wobei eine erzeugte Spannung maximiert ist. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann die Brennstoffzellenanordnung 200 mit mehreren modularisierten Platten 400 und mehreren der MEAs 414 aufgebaut sein. Beispielsweise sind die aktiven Gebiete 402, 404 elektrisch in Reihe verschaltet, um die elektrische Spannung der Brennstoffzellenanordnung 200 gemäß dem Ohmschen Gesetz zu verstärken. Als ein weiteres nicht beschränkendes Beispiel kann ein einzelner 230 Zellen umfassender Stapel mit etwa 800 cm² aktiver Fläche pro Zelle durch drei 200 Zellen umfassende Stapel mit etwa 300 cm² aktiver Fläche pro Zelle ersetzt werden. Dem Fachmann wird dadurch offensichtlich, dass ein einzelner Brennstoffzellenstapel mit einem Spannungswandler, um die elektrische Spannung zu verstärken, durch die Brennstoffzellenanordnung 200 der vorliegenden Offenbarung ersetzt werden kann. Es sei ferner zu verstehen, dass ein Aufbau der Brennstoffzellenanordnung 200 aus den modularisierten Platten 400 und den modularisierten MEAs 414 dessen Komplexität minimiert.
Die vorliegende Offenbarung umfasst ferner ein Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenanordnung 200. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte, dass die Brennstoffzellenanordnung 200, wie hier beschrieben ist, mit den mehreren Brennstoffzellenstapeln 2 bereitgestellt wird, die mit den modularisierten Platten 400 ausgebildet sind. Jeder der Brennstoffzellenstapel 2 der Anordnung 200 ist derart ausgebildet, um eine Zufuhr von gasförmigen Reaktanden aufzunehmen. Die Brennstoffzellenstapel 2 werden dann in elektrischer Reihe verschaltet. Die gasförmigen Reaktanden können gegebenenfalls selektiv an jeden der mehreren Brennstoffzellenstapel 2 geliefert werden. Beispielsweise können die gasförmigen Reaktanden selektiv geliefert werden, um die Spannung auf einen Sollpegel einzustellen. Bei anderen Ausführungsformen können die gasförmigen Reaktanden gemäß einer oder mehrerer Betriebsstrategien, wie Umschalten der Stapelreihenfolge, wie vorher hier beschrieben wurde, selektiv geliefert werden. Es sei zu verstehen, dass andere geeignete Betriebsstrategien mit der Brennstoffzellenanordnung 200 der Offenbarung verwendet werden können, indem die gasförmigen Reaktanden selektiv an einen oder mehrere der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln 2 geliefert werden.
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, sei dem Fachmann angemerkt, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung vom Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden können, der in den folgenden angefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.

Claims

Brennstoffzellenplatte, umfassend: eine Platte (400) mit mehreren ersten Sammelleitungen (406), die an einem ersten Ende der Platte (400) angeordnet sind, mehreren zweiten Sammelleitungen (406), die an einem zweiten Ende der Platte (400) angeordnet sind, und mehreren daran geformten aktiven Gebieten (402, 404), wobei jede der mehreren ersten Sammelleitungen (406) eine Einlassdurchbrechung (410) aufweist, jede der mehreren zweiten Sammelleitungen (406) eine Auslassdurchbrechung (412) aufweist, jedes der mehreren aktiven Gebiete (402, 404) zwischen einer der ersten Sammelleitungen (406) und einer der zweiten Sammelleitungen (406) angeordnet ist, jedes der mehreren aktiven Gebiete (402, 404) in Fluidverbindung mit der Einlassdurchbrechung der zugeordneten ersten Sammelleitung (406) und ferner in Fluidverbindung mit der Auslassdurchbrechung (412) der zugeordneten zweiten Sammelleitung (406) steht, die Einlassdurchbrechungen (410) derart ausgebildet sind, um gasförmige Reaktanden selektiv an das zugeordnete aktive Gebiet (402, 404) zu liefern, und die aktiven Gebiete (402, 404) Strömungsfelder aufweisen, die derart ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden aufzunehmen, und die aktiven Gebiete (402, 404) durch dielektrische Teiler (408) getrennt sind und durch die dielektrischen Teiler (408) voneinander elektrisch isoliert sind.
Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Sammelleitungen (406) dielektrisch sind und einteilig mit einem dielektrischen Rahmen geformt sind, der derart ausgebildet ist, um an der Platte (400) angeordnet zu werden.
Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei die Platte (400) aus einem elektrisch leitenden Kompositmaterial geformt ist.
Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 3, wobei das elektrisch leitende Kompositmaterial ein graphitgefülltes Polymer ist.
Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei die Platte (400) eine Bipolarplatte ist.
Brennstoffzellenplatte nach Anspruch 1, wobei die Platte (400) eine einteilig daran geformte Dichtung besitzt.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung (200), wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: mehrere Brennstoffzellenstapel (2) bereitgestellt werden, die eine Bipolarplatte (400) mit mehreren ersten Sammelleitungen (406), die an einem ersten Ende der Bipolarplatte (400) angeordnet sind, mehreren zweiten Sammelleitungen (406), die an einem zweiten Ende der Bipolarplatte (400) angeordnet sind, und mehreren daran geformten aktiven Gebieten (402, 404) umfassen, wobei jede der mehreren ersten Sammelleitungen (406) eine Einlassdurchbrechung (410) aufweist, jede der mehreren zweiten Sammelleitungen (406) eine Auslassdurchbrechung (412) aufweist, jedes der mehreren aktiven Gebiete (402, 404) zwischen einer der ersten Sammelleitungen (406) und einer der zweiten Sammelleitungen (406) angeordnet ist, jedes der mehreren aktiven Gebiete (402, 404) in Fluidverbindung mit der Einlassdurchbrechung der zugeordneten ersten Sammelleitung (406) und ferner in Fluidverbindung mit der Auslassdurchbrechung (412) der zugeordneten zweiten Sammelleitung (406) steht, die Einlassdurchbrechungen (410) derart ausgebildet sind, um gasförmige Reaktanden selektiv an das zugeordnete aktive Gebiet (402, 404) zu liefern, und die aktiven Gebiete (402, 404) Strömungsfelder aufweisen, die derart ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden aufzunehmen, und die aktiven Gebiete (402, 404) durch dielektrische Teiler (408) getrennt sind und durch die dielektrischen Teiler (408) voneinander elektrisch isoliert sind; die mehreren Brennstoffzellenstapel (2) ferner mehrere Membranelektrodenanordnungen aufweisen, wobei jedes der aktiven Gebiete (402, 404) der Bipolarplatte (400) zwischen einem Paar der Membranelektrodenanordnungen gestapelt ist, wobei jeder der Brennstoffzellenstapel (2) derart ausgebildet ist, um eine zugeordnete Zufuhr gasförmiger Reaktanden aufzunehmen; die Brennstoffzellenstapel (2) in elektrischer Reihe verschaltet werden; und gasförmige Reaktanden selektiv an jeden der mehreren Brennstoffzellenstapel (2) geliefert werden.