DE10085386B3

DE10085386B3 - Brennstoffzellen-Kraftanlage und Verfahren zu ihrem Betreiben

Info

Publication number: DE10085386B3
Application number: DE10085386T
Authority: DE
Inventors: Jung S. Yi; Jonathan Puhalski
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2020-12-16
Also published as: CN1409879B; WO2001045190A1; BR0016448A; AU2267701A; US6780533B2; DE10085386T1; US20010004501A1; JP2003517186A; CN1409879A

Abstract

Brennstoffzellen-Kraftanlage mit: (a) einer Brennstoffzelle mit einer Anodenträgerplatte und einer Kathodenträgerplatte sowie einer zwischen der Anoden- und der Kathodenträgerplatte angeordneten Membranelektrodenanordnung, wobei die Membranelektrodenanordnung eine zwischen zwei Katalysatoren angeordnete Polymerelektrolytmembran aufweist, und wobei zumindest eine der Trägerplatten eine Substratschicht mit darin vorhandenen Poren sowie mit Eintrittsströmungskanälen und Austrittsströmungskanälen für den Eintritt und Austritt eines Reaktionsstoffgasstroms besitzt, wobei die Eintrittsströmungskanäle und die Austrittsströmungskanäle kämmend angeordnet sind und jeweils durch eine Rippe der Substratschicht voneinander getrennt sind, so dass der Übertritt des Reaktionsstoffgases von den Eintrittsströmungskanälen in die Austrittsströmungskanäle durch die Substratschicht hindurch erfolgen muss; (b) einer porösen Wassertransportplatte, die einer der Trägerplatten benachbart ist, wobei die poröse Wassertransportplatte Strömungskanäle für den Durchtritt eines Kühlmittelstroms aufweist; und mit (c) einer Einrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten Druckunterschieds zwischen dem Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom in einer derartigen Weise, dass der Druck des Reaktionsstoffgasstroms höher ist als der Druck des Kühlmittelstroms.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen-Kraftanlagen und Verfahren zum Betreiben von Brennstoffzellen-Kraftanlagen. Die Brennstoffzellen-Kraftanlagen weisen Brennstoffzellen auf, bei denen in einer Anodenträgerplatte und/oder einer Kathodenträgerplatte oder in einer Wassertransportplatte kämmend angeordnete, d. h. zwischeneinander greifende Reaktionsstoff-Eintrittsströmungskanäle und Reaktionsstoff-Austrittsströmungskanäle ausgebildet sind, um der Brennstoffzelle die Reaktionsstoffgase zuzuführen und aus ihr abzuführen.
Technischer Hintergrund
Brennstoffzellen-Kraftanlagen sind elektrochemische, alternative Energiequellen sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen. Die Brennstoffzelle, die das Herz einer solchen Kraftanlage ist, besteht aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten, der die beiden voneinander trennt. Unter Anode ist eine negative Elektrode zu verstehen, und unter Kathode ist eine positive Elektrode zu verstehen. Im Betrieb einer Brennstoffzelle tritt Brennstoff-Reaktionsstoffgas, wobei es sich typischerweise um einen wasserstoffreichen Strom handelt, in eine Trägerplatte ein, die der Anode benachbart ist. Eine solche Trägerplatte wird somit als Anodenträgerplatte bezeichnet. Ferner tritt Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas, bei dem es sich üblicherweise um Luft handelt, in eine der Kathode benachbarte Trägerplatte ein. Diese Trägerplatte wird somit als Kathodenträgerplatte bezeichnet. Wenn der wasserstoffreiche Strom die Anodenträgerplatte durchläuft, verursacht ein zwischen der Anodenträgerplatte und dem Elektrolyten befindlicher Katalysator eine Oxidation des Wasserstoffs, wodurch Wasserstoffionen und Elektronen erzeugt werden. Während die Wasserstoffionen durch den Elektrolyten hindurch zu der Kathode migrieren, migrieren die Elektronen durch einen externen elektrischen Kreis zu der Kathode. Ein weiterer Katalysator auf der Kathodenseite des Elektrolyten verursacht eine Reaktion des Sauerstoffs mit den Wasserstoffionen und den an der Anode freigesetzten Elektronen, wodurch Wasser entsteht. Das Auftreten dieser Reaktionen in der Nähe der Katalysatoren und des Elektrolyten erzeugt ein elektrisches Potential über der Brennstoffzelle. Der Strom von Elektronen durch einen externen Kreis, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist, erzeugt nutzbare Arbeit, wie z. B. für die Stromversorgung eines Elektromotors in einem Fahrzeug.
Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich in Abhängigkeit von ihrem Elektrolyten unterscheiden. Bei dem Elektrolyten handelt es sich um die Ionen leitende Substanz zwischen der Anode und der Kathode. Ein Typ einer Brennstoffzelle beinhaltet einen Festpolymer-Elektrolyten, der ansonsten auch als Protonenaustauschmembran (PEM bzw. proton exchange membrane) bezeichnet wird. Brennstoffzellen, in die ein Festpolymer-Elektrolyt (Protonenaustauschmembran) integriert ist, werden im folgenden als PEM-Brennstoffzelle bezeichnet. Die Katalysatorschichten in einer PEM-Brennstoffzelle sind typischerweise an beiden Seiten der Membran angebracht, so dass eine Membranelektrodenanordnung (MEA bzw. membrane electrode assembly) gebildet wird. Wie vorstehend erwähnt wurde, wird beim Passieren der Wasserstoffionen durch die MEA durch die elektrochemische Reaktion zwischen den Wasserstoffionen, den Elektronen und dem Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas Wasser innerhalb der Kathode gebildet. Dieses Wasser wird üblicherweise als „Produktwasser” bezeichnet. Außerdem kann sich Wasser auch in der Kathode ansammeln, und zwar aufgrund der Mitnahme von Wassermolekülen, die während des Betriebs der Brennstoffzelle zusammen mit den Wasserstoffionen von der Anode sowie durch die MEA befördert werden. Dieses Wasser wird üblicherweise als „Protonenmitnahmewasser” bezeichnet. Die Protonenmitnahme von der Anode zu der Kathode führt zu einem geringeren Wassergehalt auf der Anodenseite der PEM im Vergleich zu der Kathodenseite. Diese Differenz im Wassergehalt zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite führt zu einer osmotischen Kraft, die die Strömung von Wasser von der Kathodenseite der PEM in Richtung auf die Anodenseite unterstützt. Wenn jedoch die PEM (d. h. der Elektrolyt) nicht mit Wasser hochgesättigt bleibt, nimmt der PEM-Widerstand zu, und die von der Brennstoffzelle erzielte nutzbare Leistung wird geringer. Wenn sich Produktwasser und Mitnahmewasser in der Kathode ansammeln, kann das angesammelte Wasser die Reaktion des Sauerstoffs mit den Wasserstoffionen und den Elektronen behindern und diese sogar verhindern. Ein Ansammeln von Wasser in der Kathode reduziert somit das über der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Potential, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle eingeschränkt wird. Wenn der Kathoden-Wassergehalt nicht sinkt, kommt es ferner zu einem Überfluten der Kathode, und die Brennstoffzelle hört schließlich mit der Erzeugung von Energie auf und wird stillgelegt.
Um das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas beim Erreichen des Katalysators auf der MEA zu unterstützen, weist die Kathodenträgerplatte typischerweise eine Diffusionsschicht und eine Substratschicht auf. Sowohl die Diffusionsschicht als auch die Substratschicht sind typischerweise aus porösen Kohlenstoffschichten gebildet, die hydrophob gemacht sind. Hydrophob bedeutet abweisend gegenüber Wasser und wird somit häufig als wasserdicht gemacht bezeichnet. Es ist jedoch bekannt, ein hydrophiles Substrat anstelle eines hydrophoben Substrats zu verwenden. Hydrophil bedeutet zum Absorbieren von Wasser in der Lage und wird somit häufig als benetzbar bezeichnet. Das US-Patent US 5 641 586 A zum Beispiel beschreibt eine Kathodenträgerplatte, die eine hydrophile Substratschicht und eine hydrophobe Diffusionsschicht aufweist. Ziele des US-Patents US 5 641 586 A beinhalteten das Vorsehen einer porösen Trägerplatte, die den Druckabfall des Oxidationsmittelgases beim Passieren durch diese Trägerplatte verminderte, und zwar unter gleichzeitiger Minimierung der Wasseransammlung innerhalb einer solchen Trägerplatte sowie Maximierung des Zugangs des Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgases zu dem Katalysator. Obwohl ein hydrophiles Substrat den Druckabfall des Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgases durch die Kathode reduzieren kann, absorbiert das hydrophile Substrat aufgrund seiner inhärenten Art mehr Wasser als ein hydrophobes Substrat. Wenn das Wasser nicht angemessen von der Kathodenträgerplatte entfernt wird, absorbiert somit das hydrophile Substrat das Wasser, wobei dieses wiederum letztendlich die Kathodenträgerplatte überflutet. Ein Überfluten der Kathodenträgerplatte würde somit eines der Ziele des US-Patents US 5 641 586 A ausschließen, nämlich das Ziel der Minimierung einer Wasseransammlung.
Ein Überfluten der Kathodenträgerplatte würde auch verhindern, dass das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas den Katalysator erreicht. Das US-Patent US 5 641 586 A beschreibt eine bei höherem Druck arbeitende Zelle, und Produktwasser innerhalb einer solchen Zelle verlässt die Zelle typischerweise über den Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas-Austrittsstrom als eine Kombination aus Wasserdampf und mitgeführtem flüssigem Wasser. Mitgeführtes Flüssigwasser bewegt sich entlang eines Reaktionsstoff-Strömungskanals von innerhalb der Zelle zu dem Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas-Ausstrittsstrom. Dieses Konzept ist für Zellenkonfigurationen allgemein akzeptiert, die ein hydrophobes Substrat und eine feste Reaktionsstoff-Trägerplatte verwenden. Das US-Patent US 5 641 586 A beschreibt jedoch eine Zeile mit einem hydrophilen Substrat, die das Flüssigwasser absorbiert und das Substrat überflutet, wodurch der Transport von Sauerstoff zu dem Kathodenkatalysator behindert wird.
Das US-Patent US 5 641 586 A beschreibt ebenfalls eine Diffusionsschicht oder PEM-Schicht angrenzend an die eine Seite des hydrophilen Substrats sowie eine feste Strömungsfeldplatte angrenzend an die andere Seite des hydrophilen Substrats. Die feste Strömungsfeldplatte, die auch als Separatorplatte bezeichnet wird, bildet die Strömungskanäle für den Durchtritt der Reaktionsstoffgase durch diese. Da die Strömungsfeldplatte fest bzw. massiv (d. h. nicht porös) sowie undurchlässig für Gas und Flüssigkeit ist, versorgen die Kanäle nicht nur die Brennstoffzelle mit Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas, sondern sie können auch als Austrittspassagen für das Produktwasser dienen. Um das Produktwasser durch die Kanäle zu treiben, muss der Druck des Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstroms jedoch relativ hoch sein (in dem genannten Patent 500 kPa (5 Atmosphären)), wobei es sich um einen unerwünschten Betriebszustand handelt.
Das US-Patent US 5 998 058 A offenbart eine Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschermembran, einer Anodenelektrode, einer Kathodenelektrode, und den Elektroden jeweils benachbarten porösen Trägerschichten, an die wiederum Wassertransportplatten angrenzen. Die Wassertransportplatten weisen jeweils ein Gasverteilungsnetzwerk und Wasserzuführkanäle auf. Die porösen Trägerschichten weisen jeweils ein Substrat mit hydrophilen und hydrophoben Poren auf, die überall in dem Substrat verteilt sind.
Das US-Patent US 6 024 848 A offenbart eine Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschermembran, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode sowie an die Anodenelektrode bzw. die Kathodenelektrode angrenzenden Trägerplatten. Jede Trägerplatte weist eine Kontakt-Doppelschicht, die an die Elektrode angrenzt, sowie eine Substratschicht auf. Die Kontakt-Doppelschichten umfassen eine hydrophobe Phase, die hydrophobe Gaspassagen definiert, und eine hydrophile Phase, die hydrophile Gaspassagen definiert, und die Substratschichten umfassen getrennte hydrophile Bereiche und hydrophobe Bereiche. An die Substratschichten angrenzend befinden sich jeweils Wassertransportplatten, die ein Gasverteilungsnetzwerk (angrenzend an die Substratschichten) sowie Wasserzuführkanäle aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Ziele der Erfindung beinhalten eine Brennstoffzellen-Kraftanlage, die das Produktwasser und das Protonenmitnahmewasser in effizienter und angemessener Weise von der Kathode entfernt, um dadurch sicherzustellen, dass die maximale Menge an Sauerstoff aus dem Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstrom den Katalysator auf der Kathodenseite der MEA erreicht und mit diesem reagiert.
Gegenstand der Erfindung ist eine Brennstoffzellen-Kraftanlage bzw. ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Kraftanlage jeweils mit den Merkmalen, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben sind. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Brennstoffzellen-Kraftanlage, die eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA) aufweist, die zwischen einer Anodenträgerplatte und einer Kathodenträgerplatte angeordnet ist, wobei die Anodenträgerplatte und/oder die Kathodenträgerplatte eine hydrophile Substratschicht aufweisen. Die Brennstoffzellen-Kraftanlage beinhaltet ferner einen Brennstoff-Reaktionsstoffgasstrom, der mit der hydrophilen Substratschicht der Anodenträgerplatte in Fluidverbindung steht, und einen Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstrom, der mit der hydrophilen Substratschicht der Kathodenträgerplatte in Fluidverbindung steht, sowie einen Kühlwasserstrom, der mit den hydrophilen Substratschichten sowohl der Anodenträgerplatte als auch der Kathodenträgerplatte in Fluidverbindung steht. Die hydrophile Substratschicht in der Anodenträgerplatte steigert die Migration des Kühlwassers zu der Anodenseite der MEA, und die hydrophile Substratschicht in der Kathodenträgerplatte verbessert die Abfuhr von Wasser von der Kathodenseite der MEA. Die hydrophilen Substratschichten sowohl der Anodenträgerplatte als auch der Kathodenträgerplatte haben ein vorbestimmtes Ausmaß an Porosität (d. h. Anzahl von Poren) sowie eine vorbestimmte Porengröße. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass ohne Steuerung der Anzahl von Wasser enthaltenden Poren in dem hydrophilen Substrat das Wasser 100% der verfügbaren Poren füllt, wodurch jegliche Migration der Reaktionsstoffgase verhindert wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben somit erkannt, dass sich durch Steuerung des Drucks der Reaktionsstoffgasströme und des Kühlmittelstroms der prozentuale Anteil von Poren steuern läßt, die Wasser oder Reaktionsstoffgase enthalten. Die vorliegende Erfindung verwendet einen Druckunterschied zwischen dem Kühlmittelstrom und den Reaktionsstoffgasströmen zum Steuern der jeweiligen Verteilung der Ströme innerhalb der Poren eines hydrophilen Substrats. Der Druckunterschied wird derart hergestellt, dass ein größerer prozentualer Anteil der Poren in der hydrophilen Substratschicht Reaktionsstoffgas anstatt Wasser enthält. Die vorliegende Erfindung schafft somit eine Einrichtung zum Erzeugen eines Druckunterschieds zwischen den Reaktionsstoffgasströmen und dem Kühlmittelstrom, so dass der Druck der Reaktionsstoffgasströme höher ist als der Druck des Kühlmittelstroms. Ein Betreiben der Brennstoffzelle bei einem solchen Druckunterschied stellt sicher, dass sich das Produktwasser und das Protonenmitnahmewasser, die sich an der Kathodenkatalysatorschicht bilden, durch die Kathodenträgerplatte hindurch sowie weg von der MEA migrieren. Durch Steuern des Kühlmittelstroms und des Brennstoff-Reaktionsstoffgasstroms auf der Anodenseite der MEA wird ferner sichergestellt, dass das Kühlwasser in kontinuierlicher Weise von dem Kühlmittelstrom in Richtung auf die Anodenseite der MEA migriert, wodurch ein Trockenwerden der Membran verhindert wird.
Ein angemessenes Wassergleichgewicht in der Kathodenträgerplatte und der Anodenträgerplatte stellt sicher, dass die PEM feucht bleibt, wodurch sich die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert und sich auch ihre elektrische Effizienz verbessert. Eine angemessene Wasserabfuhr erleichtert auch eine gesteigerte Sauerstoffausnutzung in der Brennstoffzelle. Genauer gesagt erreicht ohne angemessene Wasserabfuhr ein geringerer Teil des verfügbaren Sauerstoffs den Katalysator. Eine Steigerung der Sauerstoffmenge, die an dem Katalysator zur Verfügung steht, erhöht die Leistung der Brennstoffzelle und/oder reduziert die Gesamtgröße der Brennstoffzelle, um eine bestimmte Nennleistung zu erzeugen. Das US-Patent US 5 641 586 A hat zwar erkannt, dass das Ersetzen der hydrophoben Substratschicht der Kathode durch eine hydrophile Substratschicht die Zellenspannung steigert, jedoch hat dieses Patent nicht die Bedeutung der Wasserabfuhr von der Kathode erörtert. Ferner hat dieses Patent nicht die Lehre zum Ausdruck gebracht, dass durch Steuern des Drucks der Reaktionsstoffgasströme und der Kühlmittelströme die gefüllte Porosität des hydrophilen Substrats gesteuert wird und auch der Wassergehalt der Katalysatorschichten vermindert wird. Die vorliegende Erfindung schafft dagegen eine Einrichtung zum Verhindern eines Überflutens der Kathodenträgerplatte, wodurch sichergestellt ist, dass die maximale Menge des Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgases die Kathodenseite der MEA erreicht. Somit verbessert die vorliegende Erfindung nicht nur die elektrische Leistungsausgangskapazität einer Brennstoffzelle, sondern sie steigert auch die Sauerstoffausnutzung der Brennstoffzelle, wodurch wiederum die Betriebseffizienz des Brennstoffzellensystems verbessert wird.
Somit befasst sich die vorliegende Erfindung mit einer Brennstoffzellen-Kraftanlage mit einer Brennstoffzelle, die eine Anodenträgerplatte und eine Kathodenträgerplatte sowie eine zwischen der Anodenträgerplatte und der Kathodenträgerplatte angeordnete Membranelektrodenanordnung aufweist, wobei die Membranelektrodenanordnung eine Polymerelektrolytmembran beinhaltet, die zwischen zwei Katalysatoren angeordnet ist, und wobei die Anodenträgerplatte und die Kathodenträgerplatte jeweils eine poröse hydrophile Substratschicht enthalten. Die Brennstoffzellen-Kraftanlage beinhaltet ferner poröse Wassertransportplatten angrenzend an die Anodenträgerplatte und die Kathodenträgerplatte, um dadurch die Fähigkeit der Brennstoffzelle zum Abführen von Wasser von der Kathodenträgerplatte sowie zum Übertragen von Wasser durch die Anodenträgerplatte zu der Membran zu steigern. Genauer gesagt, besitzen die Wassertransportplatten Passagen auf der einen Seite, die den Durchtritt des Kühlmittelstroms durch diese hindurch gestatten, sowie separate Passagen auf ihrer anderen Seite, die den Durchtritt der Reaktionsstoffgasströme durch diese hindurch gestatten. Da die Kathoden-Wassertransportplatte porös ist, erlauben die Poren dem Produktwasser ein Strömen aus der Substratschicht in die Kathoden-Wassertransportplatte hinein und durch diese hindurch sowie schließlich in den Kühlmittelstrom. Somit entweicht Wasser aus der Brennstoffzelle über den Kühlmittelstrom anstatt durch die Reaktionsstoffpassagen, wie dies bei dem US-Patent US 5 641 586 A der Fall ist. Als Ergebnis hiervon arbeitet die Brennstoffzelle bei einem niedrigeren Druck. In entsprechender Weise gestatten die Poren in der Anoden-Wassertransportplatte ein Strömen des Wassers von ihren Kühlmittelpassagen zu der Anodenträgerplatte. Zur Erleichterung einer effizienten Wasserströmung beinhaltet die Brennstoffzellen-Kraftanlage ferner eine Einrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten Druckunterschieds zwischen den Reaktionsstoffgasströmen und dem Kühlmittelstrom, so dass der Druck der Reaktionsstoffgasströme höher ist als der Druck des Kühlmittelstroms.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhalten die Wassertransportplatten zwischeneinander greifende (d. h. kämmend angeordnete) Passagen (d. h. Strömungskanäle) anstelle von herkömmlichen Passagen für das Hindurchführen der Reaktionsstoffgasströme durch diese. Unter kämmend angeordneten Passagen sind wenigstens zwei einzelne Passagen zu verstehen, die durch eine Trennwand (d. h. eine Rippe) voneinander getrennt sind, so dass der Reaktionsstoffgasstrom in die eine separate Passage (d. h. die Eintrittspassage) eintritt und aus der anderen separaten Passage (d. h. der Austrittspassage) austritt. Damit der Reaktionsstoffgasstrom von der Eintrittspassage zu der Austrittspassage migriert, durchläuft der Reaktionsstoffgasstrom die Anodenträgerplatte und die Kathodenträgerplatte, wodurch der Massetransfer der Reaktionsstoffgasströme zu der Anodenträgerplatte und der Kathodenträgerplatte gesteigert wird. Eine Steigerung der Menge an Reaktionsstoffgasen, die die Katalysatoren erreichen, führt wiederum zu einer Steigerung der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle. Die Verwendung von kämmend angeordneten Strömungskanälen anstelle von herkömmlichen Strömungskanälen in einer porösen Wassertransportplatte erhöht somit die elektrische Leistung der Brennstoffzelle unter Aufrechterhaltung eines effizienten Wassermanagementsystems.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die kämmend angeordneten Passagen in der Anoden-Substratschicht und/oder der Kathoden-Substratschicht anstatt in der Anoden-Wassertransportplatte und/oder der Kathoden-Wassertransportplatte enthalten.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Anodenträgerplatte und/oder die Kathodenträgerplatte eine Diffusionsschicht enthalten. Wenn dies der Fall ist, ist es bevorzugt, dass die Diffusionsschicht teilweise hydrophob anstatt von vollständig hydrophob ist, da eine teilweise hydrophobe Diffusionsschicht in der Lage ist, einen höheren prozentualen Anteil von Flüssigwasser als eine vollständig hydrophobe Diffusionsschicht zu übertragen, wie dies in dem US-Patent US 5 641 586 A beschrieben ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist eine Brennstoffzelle eine Anodenträgerplatte und/oder eine Kathodenträgerplatte auf, die eine hydrophile Substratschicht, jedoch keine Diffusionsschicht, beinhalten. Durch Entfernen der Anoden-Diffusionsschicht oder durch Reduzieren der Dicke derselben wird die Migration von Wasser von der Wassertransportplatte zu der MEA gesteigert, wodurch eine angemessene Befeuchtung der PEM sichergestellt wird, und zwar insbesondere bei hohen Stromdichten, wodurch wiederum die elektrische Effizienz der Brennstoffzelle weiter verbessert wird. Durch Entfernen der Kathoden-Diffusionsschicht oder durch Reduzieren der Dicke derselben wird die Distanz vermindert, die das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas durchlaufen muss, bevor es den Katalysator erreicht, wodurch die Sauerstoffausnutzungseigenschaften der Brennstoffzelle erhöht werden.
Gemäß der Erfindung erreicht eine im wesentlichen atmosphärische PEM-Brennstoffzelle eine maximale Stromdichte von ca. 1,6 Ampere pro Quadratzentimeter bei einem Betrieb mit einer Luft-Stöchiometrie von 2,5 (250%) oder weniger.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in Anbetracht der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen derselben noch deutlicher, wie diese in den Begleitzeichnungen dargestellt sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Brennstoffzellen-Kraftanlage, die eine PEM-Brennstoffzelle sowie eine Einrichtung zum Steuern des Drucks der Reaktionsstoffgasströme und des Kühlmittelstroms aufweist;
2 eine Kurve zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Porengröße und dem Ausmaß an Porosität für eine hydrophile Substratschicht;
3 eine Darstellung des prozentualen Anteils an Flüssigkeits- und Gasporosität für eine bestimmte Porengröße auf der Basis der Kurve in 2;
4 eine Darstellung einer PEM-Brennstoffzelle mit hydrophoben Diffusions- und Substratschichten sowohl in der Anodenträgerplatte als auch in der Kathodenträgerplatte der PEM-Brennstoffzelle;
5 eine Darstellung einer PEM-Brennstoffzelle mit einer hydrophoben Diffusionsschicht und einer hydrophilen Substratschicht sowohl in der Anodenträgerplatte als auch in der Kathodenträgerplatte der PEM-Brennstoffzelle;
6 eine Darstellung einer PEM-Brennstoffzelle mit einer hydrophoben Diffusionsschicht und einer hydrophilen Substratschicht in der Kathodenträgerplatte der PEM-Brennstoffzelle sowie nur mit einer hydrophilen Substratschicht in der Anodenträgerplatte;
7 eine Darstellung einer PEM-Brennstoffzelle mit nur einer hydrophilen Substratschicht in der Anoden- und Kathodenträgerplatte der PEM-Brennstoffzelle;
8 eine graphische Darstellung der Stromdichte gegenüber der Zellenspannung für verschiedene Brennstoffzellenkonfigurationen, wie sie in der Tabelle 1 dargestellt sind;
9 eine graphische Darstellung der Brennstoffzellen-Sauerstoffausnutzung gegenüber der Zellenspannung für verschiedene Brennstoffzellenkonfigurationen, wie sie in der Tabelle 1 dargestellt sind;
10 eine graphische Darstellung der Stromdichte gegenüber der Zellenspannung für verschiedene Brennstoffzellenkonfigurationen, wie sie in der Tabelle 2 dargestellt sind;
11 eine Darstellung der Brennstoffzellenspannung als Funktion des Druckunterschieds zwischen dem Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom;
12 eine Draufsicht auf die Wassertransportplatte entlang der Linie 12-12 in 4, wobei die Schnittdarstellung eine Mehrzahl herkömmlicher Passagen zeigt;
13 eine alternative (erfindungsgemäße) Ausführungsform der in 4 dargestellten PEM-Brennstoffzelle, wobei die erfindungsgemäße Brennstoffzelle in 13 Wassertransportplatten mit kämmend angeordneten Strömungskanälen aufweist;
14 eine Draufsicht auf die Wassertransportplatte entlang der Linie 14-14 in 13, wobei die Schnittdarstellung eine Vielzahl kämmend angeordneter, d. h. zwischeneinander greifender Strömungskanäle zeigt;
15 eine Darstellung einer PEM-Brennstoffzelle, die eine hydrophobe Diffusionsschicht und eine hydrophile Substratschicht sowohl in der Anodenträgerplatte als auch in der Kathodenträgerplatte aufweist, wobei die hydrophilen Substratschichten kämmend angeordnete Strömungskanäle beinhalten;
16 eine vergleichende graphische Darstellung der Stromdichte gegenüber der Zellenspannung für verschiedene Brennstoffzellen mit kämmend angeordneten und herkömmlichen Passagen in der Wassertransportplatte;
17 eine vergleichende graphische Darstellung der Brennstoffzellen-Sauerstoffausnutzung gegenüber der Zellenspannung für verschiedene Brennstoffzellen mit kämmend angeordneten und herkömmlichen Passagen in der Wassertransportplatte;
18 eine Darstellung der Brennstoffzellenspannung als Funktion des Druckunterschieds zwischen dem Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom für eine Brennstoffzelle mit kämmend angeordneten Passagen in der Wassertransportplatte;
19 eine graphische Darstellung der Stromdichte gegenüber der Zellenspannung für verschiedene Werte der Luft-Stöchiometrie.
Ausführungsweise(n) zum Ausführen der Erfindung
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine PEM-Brennstoffzellen-Kraftanlage 10 dargestellt, die eine Brennstoffzelle 12 und eine Einrichtung zum Steuern des Drucks eines Brennstoff-Reaktionsstoffgasstroms 22, eines Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstroms 24 sowie eines Kühlmittelstroms 26 aufweist. Eine PEM-Brennstoffzellen-Kraftanlage 10 weist typischerweise eine Mehrzahl von Brennstoffzellen auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und als Zellenstapelanordnung bezeichnet werden. Aus Gründen der Vereinfachung der Erläuterung der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Brennstoffzellen-Kraftanlage 10 jedoch nur eine Brennstoffzelle 12, wobei es sich jedoch versteht, dass die Brennstoffzellen-Kraftanlage 10 typischerweise eine vorbestimmte Anzahl von Brennstoffzellen 12 aufweist. Jede Brennstoffzelle 12 beinhaltet eine Anodenträgerplatte 14, eine Kathodenträgerplatte 18 sowie eine Membranelektrolytanordnung (MEA) 16, die zwischen der Anodenträgerplatte 14 und der Kathodenträgerplatte 18 angeordnet ist. Der Brennstoff-Reaktionsstoffgasstrom 22 versorgt die Anodenträgerplatte 14 mit dem Brennstoff-Reaktionsstoffgas, wie z. B. Wasserstoff, von einem (nicht gezeigten) Brennstoffvorrat, und der Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstrom 24 versorgt die Kathodenträgerplatte 18 mit einem Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas. Bei dem Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas kann es sich im wesentlichen um reinen Sauerstoff handeln, der von einem druckbeaufschlagten Sauerstoffbehälter zugeführt wird, oder bei dem Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas kann es sich um Luft handeln, die durch einen Kompressor oder ein Luftgebläse mit Druck beaufschlagt ist. Beim Hindurchführen der Reaktionsstoffgase durch die Brennstoffzellen 12 bildet sich in der Kathodenträgerplatte 18 Produktwasser. Ferner strömt Wasser in dem Brennstoff-Reaktionsstoffgasstrom 22 durch die MEA 16 hindurch und tritt in die Kathodenträgerplatte 18 ein.
Eine Wassertransportplatte 20 dient zum Abführen des Wassers von der Kathodenträgerplatte 18 und Einbringen dieses Wasser in den Kühlmittelstrom 26, der typischerweise aus Wasser besteht. Die Wassertransportplatte 20 kühlt auch die Brennstoffzelle 12. Aus diesem Grund wird die Wassertransportplatte 20 gelegentlich auch als Kühlplatte bezeichnet. Da der Kühlmittelstrom 26, der Brennstoff-Reaktionsstoffgasstrom 22 und der Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstrom 24 in Fluidverbindung miteinander stehen, ist es bevorzugt, für das Management des Wassers in der PEM-Brennstoffzellen-Kraftanlage 10 zu sorgen. Beispiele für Wassermanagementsysteme beinhalten die in den US-Patenten US 5 503 944 A und US 5 700 595 A dargestellten, die beide auf den Begünstigten der vorliegenden Erfindung übertragen worden sind. Beide dieser Patente stützen sich auf die Aufrechterhaltung eines positiven Druckunterschieds zwischen den Reaktionsstoffgasen und dem Kühlwasser. Durch Betreiben der Brennstoffzellen-Kraftanlage 10 derart, dass der Druck des Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstroms 24 höher ist als der Druck des Kühlmittelstroms 26, wird die Bewegung des Produktwassers von der Kathode 18 in Richtung auf die Wassertransportplatte 20 sowie schließlich in den Kühlmittelstrom 26 sichergestellt.
Wie in der vorstehend genannten Stammanmeldung ausgeführt ist, ist es bei Vorhandensein einer hydrophilen Substratschicht in der Anodenträgerplatte 14 und/oder der Kathodenträgerplatte 18 in noch wichtigerer Weise erforderlich, die Brennstoffzellen-Kraftanlage 10 derart zu betreiben, dass eine Druckdifferenz zwischen dem Brennstoff-Reaktionsstoffgasstrom 22, dem Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstrom 24 und dem Kühlmittelgasstrom 26 vorhanden ist, um ein Überfluten der Kathodenträgerplatte 18 oder der Anodenträgerplatte 14 zu verhindern. Genauer gesagt stellt der Druckunterschied ein bevorzugtes Verhältnis von Flüssigwasser oder Kühlmittel zu dem Reaktionsstoffgas innerhalb des hydrophilen Substrats her. Der prozentuale Anteil von Flüssigkeit an dem Reaktionsstoffgas ist abhängig von der Porengröße des hydrophilen Substrats und dem Druckunterschied zwischen dem Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom. Jedes hydrophile Substrat besitzt eine vorbestimmte Porengröße und eine vorbestimmte Porosität. Zum Beispiel zeigt 2 eine Darstellung des Porendurchmessers in Mikrometer (d. h. μm) gegenüber der prozentualen Porosität, die durch Poren geschaffen wird, die größer sind als der aufgetragene Porendurchmesser. Diese Darstellung veranschaulicht, dass bei kleinerem Porendurchmesser als 1 μm die hydrophile Substratschicht eine Porosität von ca. 75% besaß. Es ist jedoch bevorzugt, dass mehr als die Hälfte der verfügbaren Poren mit Reaktionsstoffgas anstatt von Flüssigkeit gefüllt sind. Aus diesem Grund sollte die Porosität der hydrophilen Substratschicht mit größeren Poren als dem dargestellten Durchmesser größer als 37,5% sein.
2 wurde geschaffen durch Ausführen einer Quecksilber-Porositätsmessung an einer hydrophilen Substratschicht, wie z. B. der Qualität TGP-006, das von Toray of America vertrieben wird und mit 20 Milligramm Zinnoxid (SnO₂) pro Gramm Substrat behandelt wurde, um sie benetzbar zu machen. 2 veranschaulicht die Porengrößenverteilung für eine hydrophile Substratschicht. Mit anderen Worten stellt für einen gegebenen Porendurchmesser die Distanz über der Kurve die prozentuale Porosität aufgrund von Poren mit einem Porendurchmesser dar, der geringer ist als der aufgetragene Porendurchmesser, während die Distanz unter der Kurve die prozentuale Porosität aufgrund von Poren mit einem Porendurchmesser darstellt, der größer ist als der aufgetragene Porendurchmesser. Unter Bezugnahme auf 3 entspricht z. B. ein Porendurchmesser von 12 μm einem Porositätsübergang von 67%. Die Porosität aufgrund von Poren mit einem Durchmesser, der größer ist als 12 μm, beträgt ca. 67%, und die Porosität aufgrund von Poren mit einem Durchmesser, der geringer ist als 12 μm, beträgt ca. 8%. Somit sind ca. 89% der Porosität des Substrats durch Poren mit einem Durchmesser von größer als 12 μm bedingt, und ca. 11% der Porosität sind aufgrund von Poren mit einem Durchmesser von weniger als 12 μm bedingt.
Durch Steuern des Druckunterschieds zwischen dem Kühlmittelstrom und den Reaktionsstoffgasströmen werden wiederum die prozentualen Anteile von Flüssigkeit und Reaktionsstoffgas in dem hydrophilen Substrat gesteuert, da zwischen der Porengröße und dem Druckunterschied eine Beziehung besteht. Die Beziehung zwischen der Porengröße und dem Druckunterschied wird durch folgende Gleichung bestimmt:
dabei bedeuten:

P_g: = Reaktionsstoffgasdruck
P_l: = Flüssigkeitsdruck
γ: = Oberflächenspannung
θ: = Kontaktwinkel
D: = Durchmesser der größten mit Flüssigkeit gefüllten Pore

Bei einer Temperatur von ca. 65°C (150°F) beträgt die Oberflächenspannung (γ) von Wasser ca. 65·10^–3 kgs^–2 (ca. 65 Dyn/cm). Außerdem beträgt der Kontaktwinkel (θ) zwischen Wasser und einem hydrophilen Substrat ca. Null. Somit entspricht bei ca. 65°C (150°F) die Differenz zwischen dem Reaktionsstoffgasdruck (P_g) und dem Flüssigkeitsdruck (P_l), etwa 30/D, wobei die Druckwerte in Pounds pro Quadratinch (psi) angegeben werden und der Durchmesser (D) der Pore in Mikrometern angegeben wird (1 psi = 6,895 kPa).
Wenn dieser Druckunterschied aufrechterhalten wird, enthalten alle Poren in dem hydrophilen Substrat mit einem geringeren Durchmesser als dem bestimmten Porendurchmesser (D) Flüssigkeit, und alle Poren in dem hydrophilen Substrat mit einem größeren Durchmesser als dem bestimmten Porendurchmesser (D) enthalten Reaktionsstoffgas. Wie vorstehend erwähnt wurde, stellt für einen gegebenen Porendurchmesser (D) die Distanz über der Kurve den prozentualen Anteil von Poren mit einem Porendurchmesser dar, der geringer ist als der aufgetragene Porendurchmesser, und die Distanz unter der Kurve stellt den prozentualen Anteil der Poren mit einem Porendurchmesser dar, der größer ist als der aufgetragene Porendurchmesser. Durch Betreiben der Brennstoffzelle mit dem passenden Druckunterschied wird somit sichergestellt, dass die Distanz über der Kurve den prozentualen Anteil von Poren darstellt, die Flüssigkeit enthalten, und die Distanz unter der Kurve den prozentualen Anteil von Poren darstellt, die Reaktionsstoffgas enthalten. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben worden ist, beträgt z. B. der prozentuale Anteil von Poren, die Flüssigkeit enthalten, ca. 11%, und der prozentuale Anteil von Poren, die Reaktionsstoffgas enthalten, beträgt ca. 89%. Das Verhältnis von Kühlmittel zu Reaktionsstoffgas in dem hydrophilen Substrat beträgt somit ca. 1 zu 9. Durch Steuern des Drucks des Kühlmittelstroms und der Reaktionsstoffgasströme wird sichergestellt, dass die Poren in dem hydrophilen Substrat einen größeren prozentualen Anteil an Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas als Kühlmittel enthalten.
Wenn der Druckunterschied sinkt, steigt der prozentuale Anteil von mit Wasser gefüllten Poren an. Bei nicht Vorhandensein eines Druckunterschieds zwischen dem Flüssigkeitsdruck und dem Reaktionsstoffgasdruck, wie in dem US-Patent US 5 641 586 A , liegt somit der prozentuale Anteil von mit Wasser gefüllten Poren nahe bei 100%, wodurch es zu einem Überfluten der Kathode kommt. Ein Überfluten der Kathode verhindert, dass das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas die Katalysatorschichten erreicht, da der Großteil der Poren mit Wasser gefüllt ist und sich die elektrische Leistung vermindert.
Das bevorzugte Verhältnis von Flüssigkeit zu Reaktionsstoffgas in dem hydrophilen Substrat ist eine Funktion der Beziehung zwischen der Porengröße und der Porosität für eine solche Porengröße für ein gegebenes hydrophiles Substrat. Mit anderen Worten ist der bevorzugte prozentuale Anteil von mit Reaktionsstoffgas und Wasser gefüllten Poren von der Form der in 2 dargestellten Kurve abhängig. Wie in 2 zu sehen ist, ist es bevorzugt, eine mit Reaktionsstoffgas gefüllte Porosität zu haben, die gleich oder größer als ein Punkt A ist. Der Punkt A stellt die Übergangsstelle dar, an der die Porosität weniger empfindlich für die Porengrößenänderung wird. Obwohl die Form der Kurve in 2 veranschaulicht, dass bei einer Porosität von ca. 67% die Porosität weniger empfindlich für die Porengröße wird, ist es bevorzugt, bei einer derartigen Porosität zu arbeiten, dass die Anzahl der Reaktionsstoffgas enthaltenden Poren größer ist als die Anzahl der Wasser enthaltenden Poren. Dies führt zu einem bevorzugten Massetransport der Reaktionsstoffe zu den Katalysatoren, während gleichzeitig ein Benetzungsweg zum Bewegen von Wasser von der Kathode zu der Wassertransportplatte geschaffen wird. Außerdem wird durch die Erzeugung eines Druckunterschieds zwischen dem Brennstoff-Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom eine Bewegung des Wassers von der Wassertransportplatte zu der PEM auf der Anodenseite der Brennstoffzelle ermöglicht.
Wie vorstehend erwähnt wurde, sind die bevorzugten Prozentsätze der mit Reaktionsstoffgas und Wasser gefüllten Poren von der Größe der Poren in der Substratschicht sowie dem Druckunterschied zwischen den Reaktionsstoffgasströmen 22, 24 und dem Kühlmittelstrom abhängig. Der Prozentsatz von Poren, die Flüssigkeit oder Reaktionsstoffgas enthalten, wird von dem jeweiligen Kühlmittelstrom 26 und Reaktionsstoffgasströmen 22, 24 gesteuert, wobei die Reaktionsstoffgasströme 22, 24 typischerweise einen höheren Druck haben als der Kühlmittelgasstrom 26. Genauer gesagt ist aufgrund der Tatsache, dass der Druck der Reaktionsstoffgasströme 22, 24 typischerweise in etwa dem Umgebungsdruck gleich ist, der Druck des Kühlmittelgasstroms 26 geringer als der Umgebungsdruck. Ferner liegt die Druckdifferenz zwischen dem Kühlmittelgasstrom 26 und den Reaktionsstoffgasströmen 22, 24 typischerweise im Bereich von ca. 3,448 kPa (0,5 psi) bis 34,475 kPa (5,0 psi). Es ist noch weiter bevorzugt, eine Druckdifferenz in einem Bereich von ca. 6,895 kPa (1,0 psi) bis 20,685 kPa (3,0 psi) aufrechtzuerhalten und ganz besonders bevorzugt, eine Druckdifferenz im Bereich von ca. 13,790 kPa (2,0 psi) bis 17,238 kPa (2,5 psi) aufrechtzuerhalten.
Wie in 1 veranschaulicht ist, ist ein solches Mittel zum Aufrechterhalten einer positiven Druckdifferenz zwischen den Reaktionsstoffgasströmen 22, 24 und dem Kühlmittelstrom 26 das Zirkulieren von Wasser durch den Kühlmittelgasstrom 26, der durch einen Wärmetauscher 28 gekühlt und von einer Pumpe 30 mit Druck beaufschlagt wird. Die Pumpe 30 stellt einen vorbestimmten Kühlwasserdruck in dem Kühlmittelstrom 26 her. Dieser Druck kann ferner durch ein variables Ventil 38 reguliert werden, das sich in dem Kühlmittelstrom 26 unmittelbar vor der Wassertransportplatte 20 befindet. Wenn es sich bei der Pumpe 30 um eine Pumpe mit feststehender Rate handelt, ist das Ventil 38 von Nutzen zum Variieren des Kühlmitteldrucks in dem Fall, dass Druckeinstellungen erforderlich sind. Ein Druckaufnehmer 44 ist stromab von der Pumpe 30 und dem Ventil 38 angeordnet. Der Druckaufnehmer 44 dient zum Messen des Drucks des Kühlwasserstroms, bevor dieser in die Wassertransportplatte 20 eintritt. Der Druckaufnehmer 44, das Ventil 38 und die Pumpe 30 können über Leitungen 52, 58 bzw. 60 mit einer Kraftanlagen-Mikroprozessorsteuerung 46 verbunden sein. Der von dem Druckaufnehmer 44 eingespeiste Druck des Kühlmittelstroms veranlasst die Steuerung zum Regulieren der Pumpe und/oder des Ventils 44, wenn dies zum Erzielen eines Kühlmittelstrom-Zieldrucks erforderlich ist.
Das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas wird der Kathodenträgerplatte 18 über die Leitung 24 zugeführt. Die Leitung 24 kann ein variables Druckregulierventil 36 sowie einen nachgeordneten Druckaufnehmer 42 beinhalten, der den Druck des Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstroms misst, wenn dieser in die Kathodenträgerplatte 18 eintritt. Der Druckaufnehmer 42 ist mit der Systemsteuerung 46 über eine Leitung 50 verbunden, und das variable Ventil 36 ist mit der Steuerung 46 durch eine Leitung 56 verbunden. Wenn ein variabler Kompressor oder eine variable Pumpe 32 zur Druckbeaufschlagung eines Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstroms verwendet wird, können entsprechende Verbindungen mit der Steuerung 46 hergestellt werden. Die Steuerung 46 kann somit geeignete Korrekturen bei dem Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasdruck vornehmen, wenn dies durch die Systembetriebsbedingungen angezeigt ist, indem das Ventil 36 oder die Pumpe/ der Kompressor 32 variiert werden.
Der Brennstoff-Reaktionsstoff wird mittels einer Leitung 22 in die Anodenträgerplatte 14 eingespeist. Das Brennstoff-Reaktionsstoffgas ist typischerweise in einem druckbeaufschlagten Behälter oder in einem druckbeaufschlagten Brennstoffaufbereitungs- oder Reformiersystem (nicht gezeigt) enthalten. Ein variables Ventil 34 ist betriebsmäßig dazu ausgebildet, den Druck des Brennstoff-Reaktionsstoffs beim Eintritt in die Anodenträgerplatte 14 zu regulieren. Der Brennstoff-Reaktionsstoffdruck wird von einem Druckaufnehmer 40 überwacht, der über eine Leitung 48 mit der Systemsteuerung 46 verbunden ist. Das variable Ventil 34 ist über eine Leitung 54 mit der Systemsteuerung 46 verbunden. Es ist bevorzugt, eine Brennstoffzellen-Kraftanlage in der Nähe des Umgebungsdrucks zu betreiben, da hierdurch die Notwendigkeit eliminiert wird, die Luft auf höhere Druckwerte zu verdichten und ferner die Möglichkeit zur Verwendung von Gebläsen oder Ventilatoren besteht, um Luft durch die Brennstoffzelle zu befördern, wodurch sich eine maximale Effizienz ergibt. Durch Eliminieren der Verwendung eines Kompressors in der Brennstoffzellen-Kraftanlage wird eine Parasitärstromquelle eliminiert, wodurch die Arbeitseffizienz der Kraftanlage insgesamt verbessert wird. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf irgend einen speziellen Betriebszustand begrenzt ist, liegt ein bevorzugter Arbeitsdruck für die Reaktionsstoffgase im Bereich von 103,425 bis 137,9 kPa absolut (15 bis 20 psia) (absoluter Druck in psi).
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine Schnittdarstellung der Brennstoffzelle 12 gezeigt, die eine MEA 16, eine Anodenträgerplatte 17 und eine Kathodenträgerplatte 19 aufweist. Die MEA 16 weist eine Polymerelektrolytmembran („PEM”) 70, einen Anodenkatalysator 72 und Kathodenkatalysator 74 auf. Der Anodenkatalysator 72 und der Kathodenkatalysator 74 sind auf gegenüberliegenden Seiten der PEM 70 angebracht.
Die Anodenträgerplatte 17 und die Kathodenträgerplatte 19 beinhalten hydrophobe Diffusionsschichten 76, 78 sowie hydrophobe Substratschichten 80, 82. Die Anoden-Diffusionsschicht 76 ist einer Seite des Anodenkatalysators 72 benachbart angeordnet, und die Anoden-Substratschicht 80 ist der Anoden-Diffusionsschicht 76 auf der dem Anodenkatalysator 72 entgegengesetzten Seite benachbart. Die Anoden-Diffusionsschicht 76 und die hydrophobe Anoden-Substratschicht 80 ermöglichen dem Brennstoff-Reaktionsstoffgas, das durch die Passage 94 in die Wassertransportplatte 84 eintritt, sowie dem Wasser, das durch die Passage 96 strömt, ein Erreichen des Anodenkatalysators 72. Die Brennstoffzelle 12 weist ferner eine hydrophobe Kathoden-Diffusionsschicht 78 und eine hydrophobe Kathoden-Substratschicht 82 auf, die dem die Passage 92 in der Wassertransportplatte 86 durchströmenden Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas ein Erreichen des Kathodenkatalysators 74 ermöglichen. Die Kathoden-Diffusionsschicht 78 ist einer Seite des Kathodenkatalysators 74 benachbart angeordnet, und die Kathoden-Substratschicht 82 ist der Kathoden-Diffusionsschicht 78 auf der dem Kathodenkatalysator 74 entgegengesetzten Seite benachbart. Die hydrophobe Kathoden-Diffusionsschicht 78 und die hydrophobe Kathoden-Substratschicht 82 ermöglichen dem Produktwasser, das sich in dem Kathodenkatalysator 74 bildet, ebenfalls eine Migration in Richtung auf die Wassertransportplatte 86.
Die Diffusionsschichten 76, 78 sind sowohl auf die Anoden- als auch die Kathoden-Substratschicht 80, 82 innerhalb der Anodenträgerplatte 17 und der Kathodenträgerplatte 19 durch in der Technik allgemein bekannte Verfahrensweisen aufgebracht. Ein bevorzugtes Verfahren ist das in dem US-Patent US 4 233 181 A beschriebene Verfahren, dessen Besitzer die Begünstigte der vorliegenden Erfindung ist. Die Diffusionsschichten 76, 78 sind typischerweise aus porösen leitfähigen Schichten gebildet, die hydrophob oder teilweise hydrophob gemacht sind. Eine solche poröse leitfähige Schicht besteht aus einem Kohlenstoff-Teilchenmaterial. Es ist bevorzugt, dass das Kohlenstoff-Teilchenmaterial eine Porengröße von weniger oder gleich 4 μm sowie eine Porosität von gleich oder größer als 60% aufweist. Um die Diffusionsschicht hydrophob zu machen, wird ein hydrophobes Polymer mit einer schwarzen Rußschicht gemischt. Das resultierende Material wird anschließend in etwa auf den Schmelzpunkt des hydrophoben Polymers erwärmt, wie dies in der Technik bekannt ist. Geeignete hydrophobe Polymere beinhalten Fluorpolymere, wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE), fluoriertes Ethylenpropylen (FEP), Polytetrafluorethylen, Co-Perfluormethyl-vinylether (PFA), Copolymere aus Ethylen und Tetrafluorethylen (ETFE), Copolymere aus Ethylen und Chlortrifluorethylen (ECTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylfluorid (PVF) sowie amorphe Polymere (Teflon AF). Die charakteristische Eigenschaft solcher Fluorpolymere besteht in ihrer kritischen Oberflächenenergie, wobei es bevorzugt ist, ein Fluorpolymer mit einer kritischen Oberflächenenergie auszuwählen, die geringer oder gleich 30·10^–3 kgs^–2 (30 Dyn pro Zentimeter) beträgt. Die kritische Oberflächenenergie wird experimentell ermittelt, indem man auf einen Untergrund verschiedene Flüssigkeiten mit bekannten Oberflächenenergien γ_L aufträgt und den Randwinkel a misst. Der Verlauf des Cosinus des Randwinkels wird gegen γ_L aufgetragen. Die kritische Oberflächenenergie γ_c des Festkörpers kennzeichnet jenen Punkt der Kurve, bei dem cos k zum ersten Mal kleiner als eins wird. Dieser Wert charakterisiert die spezifische freie Energie des Festkörpers. Ein Beispiel einer solchen Diffusionsschicht beinhaltet ein Verbundmaterial aus porösem Kohlenstoff/Teflon^®-Polytetrafluorethylen(PTFE)-Teilchenmaterial mit einer Dicke von ca. 75 bis 100 μm (0,003 bis 0,004 Inch) und vorzugsweise ca. 88 μm (0,0035 Inch) mit einer Masse von ca. 12,1 Milligramm pro Quadratzentimeter. Genauer gesagt beinhalten die Anoden- und die Kathoden-Diffusionsschicht 76, 78 eine poröse Kohlenstoffschicht, die von der Cabot Corporation unter der Produktbezeichnung Vulcan XC-72 vertrieben wird, die durch Zugabe von Polytetrafluorethylen (PTFE) hydrophob gemacht wird, wobei es sich z. B. um den Typ handelt, der von E. I. du-Pont deNemours, Wilmington, DE, unter dem Handelsnamen Teflon^® hergestellt wird. Es ist bevorzugt, eine derartige Menge an Teflon^®-Polytetrafluorethylen der Güte „TFE-30” zu verwenden, dass die Anoden- und die Kathoden-Diffusionsschicht 76, 78 ca. 50% Vulcan XC-72 und 50% Teflon^®-Polytetrafluorethylen aufweisen. Die Anoden- und die Kathoden-Diffusionsschicht 76, 78 werden typischerweise auch auf ca. 343°C (650°F) für eine Zeitdauer von ca. fünf (5) Minuten erwärmt, wodurch solche Schichten hydrophob werden.
Die Anoden- und die Kathoden-Substratschicht 80, 82 sind typischerweise aus einem porösen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundstoff mit einer Dicke von ca. 150 bis 175 μm (0,006 bis 0,007 Inch) und einer Porosität von ca. 65% bis ca. 75% gebildet. Ein Beispiel für ein solches Substrat ist das von der Toray Company, New York, N. Y., unter der Gütebezeichnung TGP-H-060 vertriebene Material. Die Anoden- und die Kathoden-Substratschicht 80, 82 sind typischerweise hydrophob gemacht, indem polyfluoriertes Ethylenpropylen, wie z. B. der von E. I. duPont deNemours in Wilmington, DE unter dem Handelsnamen Teflon^® hergestellte Typ in das Substrat kombiniert wird. Es ist bevorzugt, eine derartige Menge an Teflon^®-polyfluoriertem Ethylenpropylen der Güte „FEP-121” zu verwenden, dass die Anoden- und die Kathoden-Substratschicht 80, 82 etwa 165 Milligramm an Teflon^®-polyfluoriertem Ethylenpropylen pro Kubikzentimeter TGP-H-060 enthalten.
Wie in 4 gezeigt ist, ist die Anoden-Wassertransportplatte 84 der Anodenträgerplatte 17 benachbart angeordnet, und die Kathoden-Wassertransportplatte 86 ist der Kathodenträgerplatte 19 benachbart angeordnet. Die Anoden- und die Kathoden-Wassertransportplatte 84, 86 können derart ausgebildet und/oder orientiert sein, dass sie mit benachbarten Wassertransportplatten 88, 89 zusammenwirken, so dass die Passagen 96 und 98 gleichzeitig als Kühlmittelstrom sowohl für die Anode der einen Zelle als auch die Kathode der nächsten Zelle dienen.
Die Wassertransportplatten 84, 86, 88, 89 bestehen typischerweise aus porösem Graphit mit einer mittleren Porengröße von 2 bis 3 μm und einer Porosität von etwa 35% bis 40%. Es ist bevorzugt, die Wassertransportplatten 84, 86, 88, 89 hydrophil zu machen, indem man sie mit Zinnoxid (SnO₂) behandelt, wie dies z. B. in dem US-Patent US 5 840 414 A beschrieben ist, das sich im Besitz der Begünstigten der vorliegenden Erfindung befindet. Die hydrophile, poröse Art der Kathoden-Wassertransportplatte 86 gewährleistet in Verbindung mit dem Druckunterschied zwischen dem Kühlmittelstrom und den Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasströmen eine angemessene Abfuhr des Produktwassers, das sich an der Kathode bildet. Genauer gesagt strömt das Wasser von der Kathodenträgerplatte 19 durch die Passagen 92 und durch die Trennwände in der Wassertransportplatte 86 hindurch in die Kühlmittelpassagen 98 hinein. Außerdem versorgt die Anoden-Wassertransportplatte 84 die Anodenträgerplatte 17 mit einer kontinuierlichen Zufuhr an Wasser, das letztendlich die PEM erreicht und ein Trockenwerden derselben verhindert.
Unter Bezugnahme auf 12 ist eine Seitenaufrißansicht der in 4 dargestellten Wassertransportplatte 86 gezeigt. 12 zeigt kontinuierliche, einzelne und im wesentlichen parallele Nuten in der einen Seite der Wassertransportplatte 86. Wenn die Wassertransportplatte 86 der Kathodenträgerplatte 19 benachbart ist und die Rippen 93 an der Kathodenträgerplatte 19 anliegen, dienen die Nuten als Passagen (d. h. Strömungskanäle) 92, durch die das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas hindurch fließen kann. Die kontinuierlichen, einzelnen, geraden und im wesentlichen parallelen Passagen werden im folgenden als konventionelle Passagen bezeichnet. Das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas tritt in das eine Ende jeder Passage 92 ein und verlässt diese aus dem anderen Ende. Während das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas die Passagen 92 entlangströmt, migriert das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas in die Kathodenträgerplatte 19. Obwohl es für das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas möglich ist, in die Trennwände 93 einzudringen, ist es unwahrscheinlich, dass dies stattfindet, da die Poren in den Trennwänden 93 sowie die Poren in der restlichen Wassertransportplatte 86 mit Wasser gefüllt sind. Die Strömungskanalkonfiguration für die Passagen 94 in der Anoden-Wassertransportplatte 84 ist der für die Kathoden-Wassertransportplatte 86 ähnlich. Es ist zwar nicht dargestellt, jedoch kann ein alternatives Ausführungsbeispiel anstelle der konventionellen Passagen eine oder mehrere serpentinenförmige Passagen beinhalten.
Unter Bezugnahme auf 13 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Anoden- und der Kathoden-Wassertransportplatten dargestellt. Genauer gesagt enthalten die in 13 dargestellten Wassertransportplatten 84' und 86' zwischeneinander greifende, d. h. kämmend angeordnete, Passagen 110, 112 anstatt der konventionellen Passagen 92, wie sie unter Bezugnahme auf die 4 und 12 beschrieben worden sind. Unter Bezugnahme auf 14 ist eine Seitenaufrißansicht der in 13 dargestellten Kathoden-Wassertransportplatte 86' gezeigt, die das Strömungsmuster des Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgases durch die kämmend angeordneten, d. h. zwischeneinander greifenden Strömungskanäle zeigt. Das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas tritt am Eingang der Eintrittspassage 110 ein und bewegt sich in Richtung auf die geschlossenen Enden 111, die blockiert sind. Während sich das Reaktionsstoffgas in Richtung auf die geschlossenen Enden 111 bewegt, zwängt der Druck des Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstroms das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas in die Kathodenträgerplatte 19. Nachdem ein Teil des Oxidationsmittels in der Kathodenträgerplatte 19 verbraucht ist, tritt das übrige oder unverbrauchte Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas in die Austrittspassage 112 ein (wie dies in 14 durch die gebogenen Pfeile dargestellt ist) und migriert von den geschlossenen Enden 113 weg und wird anschließend aus der Brennstoffzelle ausgeleitet. Da das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas die Kathodenträgerplatte 19 passieren muss, um in die Austrittspassage 112 einzutreten, nimmt der Massetransfer an Oxidationsmittelgas von der Eintrittspassage 110 zu der Kathodenträgerplatte 19 zu. Die Reaktion steigert wiederum die elektrische Leistung der Brennstoffzelle, wie dies im folgenden noch ausführlicher erläutert wird. Es ist zwar nicht gezeigt, jedoch ist die kämmend angeordnete (kämmende) Strömungskanalkonfiguration für die Passagen 110, 112 in der Anoden-Wassertransportplatte 84' der für die Kathoden-Wassertransportplatte 86' ähnlich.
Ob die Reaktionsstoffgaspassagen nun eine konventionelle, eine serpentinenförmige oder eine erfindungsgemäße kämmende Konfiguration aufweisen, so beinhalten die Wassertransportplatten zusätzliche Nuten auf ihrer entgegengesetzten Seite. Wenn diese entgegengesetzte Seite einer weiteren Wassertransportplatte oder irgend einer anderen Platte benachbart angeordnet ist, dienen diese Nuten als Passagen für den Durchtritt des Kühlmittelstroms. Wenn die Anoden- und die Kathoden-Wassertransportplatte aneinander anliegen und diese Nuten miteinander ausgefluchtet sind, erzeugen diese Nuten ferner gemeinsam eine einzige Kühlmittelstrompassage, die als Wassertransportplatte sowohl für die Anode der einen Zelle als auch die Kathode einer benachbarten Zelle dient.
Unter Bezugnahme auf 15 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei dem die kämmend angeordneten Passagen 110, 112 in den Substratschichten 100', 102' anstatt in den Wassertransportplatten 138, 140 dargestellt sind, so dass anstatt eines Eintritts zuerst in die Wassertransportplatten ein Eintritt der Reaktionsstoffgasströme direkt in die Substratschicht sowie durch diese hindurch ermöglicht wird. Genauer gesagt sind die Substratschichten 100', 102' derart orientiert, dass die Passagen 110, 112 jeweils einer flachen porösen Wassertransportplatte 138, 140 benachbart sind. Da die kämmend angeordneten Passagen 110, 112 in den Substratschichten 100', 102' anstatt in den Wassertransportplatten 138, 140 vorgesehen sind, sind die Wassertransportplatten 138, 140 auf der der Anoden- bzw. der Kathodenträgerplatte 17', 19' benachbarten Seite eben. Die gegenüberliegende Seite der Wassertransportplatten 138, 140 weist jedoch Kühlmittelpassagen 134 auf. Zusätzlich dazu sind die Wassertransportplatten 138, 140 immer noch porös und gestatten den Durchtritt von Wasser durch diese. Es ist zwar nicht dargestellt, jedoch ist es auch möglich, die Orientierung der Substratschichten 100', 102' umzukehren, so dass die Passagen 110, 112 den Diffusionsschichten 104, 106 benachbart sind. Obwohl 15 kämmende Strömungskanäle (Passagen) 110, 112 in den Substratschichten 100', 102' darstellt, ist es ferner auch möglich, dass die Strömungsmusterausbildung der Passagen bei Brennstoffzellen einer Kraftanlage konventionelle oder serpentinenförmige Passagen beinhaltet. Unabhängig von der Konfiguration und/oder der gegenständlichen Konstruktion der Anoden- und Kathodenträgerplatten in der Brennstoffzelle kann es sich bei den Passagen in den Wassertransportplatten oder Substratschichten entweder um konventionelle oder kämmend angeordnete Strömungskanäle (Passagen) handeln, wobei mindestens eine Brennstoffzelle einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Kraftanlage die erfindungsgemäßen kämmenden Strömungskanäle aufweist.
Unter Bezugnahme auf 5 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle 12 dargestellt. Die Brennstoffzelle 12' in 5 unterscheidet sich von der Brennstoffzelle 12 in 4 darin, dass die Anodenträgerplatte 17 und die Kathodenträgerplatte 19 der Brennstoffzelle 12 in 4 hydrophobe Diffusionsschichten 76, 78 und hydrophobe Substratschichten 80, 82 aufweisen, während die Anodenträgerplatte 17' und die Kathodenträgerplatte 19' in der Brennstoffzelle 12' in 5 teilweise hydrophobe Diffusionsschichten 104, 106 und hydrophile Substratschichten 100, 102 aufweisen. Unter weiterer Bezugnahme auf 5 ist zusätzlich zu dem Ersetzen der hydrophoben Substratschichten 80, 82 durch hydrophile Substratschichten 100, 102 die Diffusionsschichtdicke ebenfalls vermindert. Zum Beispiel sind die hydrophoben Diffusionsschichten 76, 78 der 4 vorzugsweise ca. 87,5 μm (0,0035 Inch) dick, während die teilweise hydrophoben Diffusionsschichten 104, 106 der 5 vorzugsweise ca. 12,5 μm (0,0005 Inch) bis 62,5 μm (0,0025 Inch) dick. sind, wobei ca. 15 μm (0,0006 Inch) bis 17,5 μm (0,0007 Inch) besonders bevorzugt sind. Es kann auch bevorzugt sein, die Menge an Teflon^®-Polytetrafluorethylen (der Güte „TFE-30”) auf 10% anstatt von 50% zu vermindern und gleichzeitig die Masse der Diffusionsschicht auf ca. 2,0 bis 5,0 Milligramm pro Quadratzentimeter Vulcan XC-72 zu reduzieren.
Die Diffusionsschicht in 5 ist dünner ausgebildet als die Diffusionsschicht in 4, indem sowohl der Kohlenstoff- als auch der PTFE-Gehalt der Kohlenstoff-Diffusionsschicht reduziert ist. Genauer gesagt sind Diffusionsschichten des Standes der Technik typischerweise aus einer 50 Gew.-%igen Mischung aus Ruß und einem hydrophoben Polymer gebildet. Diese Diffusionsschichten sind vollständig hydrophob, wobei im wesentlichen 100% ihres Hohlraumvolumens mit Reaktionsstoffgasen gefüllt ist. Dies führt zu einer wünschenswerten Eigenschaft zum Diffundieren von Reaktionsstoffen in die Katalysatoren, erzeugt jedoch eine beträchtliche Barriere für die Abfuhr von flüssigem Produktwasser.
Eine teilweise hydrophobe Diffusionsschicht ist mit einem niedrigeren Teflon^®-PTFE-Gehalt ausgebildet. Dies führt zu einer Diffusionsschicht mit einem Hohlraumvolumen, das teilweise mit Reaktionsstoffgas und teilweise mit Wasser gefüllt ist. Die genauen Verhältnisse des Gasvolumens zu dem Wasservolumen sind von dem Teflon^®-PTFE-Gehalt sowie der Temperatur abhängig, bei der das Teflon^®-PTFE wärmebehandelt wird. Eine Erhöhung des benetzten Volumens der Diffusionsschicht in der Kathode unterstützt die Abfuhr des Produktwassers von der Kathode. Außerdem unterstützt eine Erhöhung des benetzten Volumens der Diffusionsschicht in der Anode die Übertragung von Flüssigwasser auf die Anodenseite der PEM. Das benetzte Volumen der Diffusionsschicht wurde derart erhöht, dass die Fähigkeit der Diffusionsschicht zum Übertragen von Wasser erhöht wird, wobei jedoch das unbenetzte Volumen derart ist, dass die Diffusionsschicht ausreichend Volumen für die Diffusion der Reaktionsstoffgase zu und/oder von den Katalysatorschichten aufweist. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist unter dem Begriff „teilweise hydrophobe Schicht” eine Schicht mit einem Hohlraumvolumen zu verstehen, das teilweise mit Wasser und mit Gas gefüllt werden kann. Es ist somit bevorzugt, eine teilweise hydrophobe Diffusionsschicht mit einer Dicke im Bereich von 0,0005 Inch bis 0,002 Inch zu haben.
Unter weiterer Bezugnahme auf 5 wird durch Verwendung einer teilweisen hydrophoben Diffusionsschicht 106 und einer hydrophilen Substratschicht 102 in der Kathodenträgerplatte 19' die Wasserabfuhr von der Kathodenkatalysatorschicht 74 in Richtung auf die Wassertransportplatte 86 gesteigert, wodurch ein Überfluten des Kathodensubstrats 102 mit Wasser verhindert wird. Durch Verwendung einer teilweise hydrophoben Diffusionsschicht 104 und einer hydrophilen Substratschicht 100 in der Anodenträgerplatte 17' wird ferner die Wassermigration von der Wassertransportplatte 84 in Richtung auf die Anodenkatalysatorschicht 72 gesteigert, wodurch ein Austrocknen der Anodenkatalysatorschicht 72 und der PEM 70 verhindert wird. Das Basismaterial der hydrophilen Substratschichten 100, 102 sind Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial. Zur Steigerung der Fähigkeit der Substratschichten 100, 102 zum Übertragen von Wasser zu oder von den relevanten Katalysatorschichten 72, 74, werden die Poren der Substratschichten 100, 102 hydrophil gemacht, indem diese Poren mit einer geeigneten Metalloxid-, Hydroxid- und/oder Oxyhydroxid-Verbindung gefüllt werden. Beispiele von Metallen, die solche Oxid-, Hydroxid- und/oder Oxyhydroxid-Verbindungen bilden, sind Zinn (Sn), Aluminium (Al), Niob (Nb), Ruthenium (Ru), Tantal (Ta), Titan (Ti), Zink und Zirkonium sowie Mischungen davon. Alternativ hierzu können die Substratschichten 100, 102 auch durch chemische oder elektrochemische Oxidation der Oberfläche des Kohlenstoffs benetzbar gemacht werden. Eine weitere Alternative beinhaltet die Behandlung und/oder Beschichtung der Innenfläche des Substrats mit einem benetzbaren Polymer, wie z. B. Melaminformaldehyd, das von Cytec Industries in West York, Großbritannien, hergestellt wird.
Die hydrophilen Substratschichten 100, 102 sind aus einem porösen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial mit einer Dicke von ca. 175 μm (0,007 Inch) und einer Porosität von ca. 75% mit einer durchschnittlichen Porengröße von ca. 27 μm bis 37 μm gebildet. Wie vorstehend erwähnt wurde, handelt es sich bei einem Beispiel für ein solches Substrat um das von der Toray Company in New York, N. Y., unter der Gütebezeichnung TGP-H-060 vertriebene. Durch Hinzufügen von ca. 20 bis 50 mg Zinnoxid (SnO₂) und vorzugsweise 25 bis 35 mg pro Gramm TGP-H-060 werden die Substratschichten 100, 102 hydrophil gemacht.
Zum Beispiel wurde ein Toray-TGP-H-060-Substrat hydrophil gemacht, indem ca. 20 Milligramm (mg) Zinnoxid pro Gramm Substrat auf die Innenfläche des Substrats aufgebracht wurden. Genauer gesagt wurden 66 Milliliter (ml) an 100 Gew.-%igem 2-Propanol und 350 ml an 33 Gew.-%igem 2-Propanol in Wasser 134 ml einer 1-Molar-SnCl☐2NH₃-Lösung in einem Becher mit 2000 ml zugegeben. Anschließend wurden 33 ml 3M-Salmiakgeist tropfenweise über eine Zeitdauer von 15 Minuten bei gleichzeitigem kräftigen Rühren zugegeben. In einem zweiten Becher, der 170 ml 33 Gew.-%iges 2-Propanol in Wasser enthielt, wurde der pH-Wert in dem zweiten Becher auf ca. 1,3 bis 1,4 durch Zusetzen der entsprechenden Menge an Salzsäure eingestellt. Während die Lösung in dem ersten Becher umgerührt wurde, wurde die Lösung in dem zweiten Becher dem ersten Becher langsam zugesetzt. Das Substrat wurde dann in die kombinierte Lösung eingetaucht. Nach dem Entfernen des Substrats aus der kombinierten Lösung wurde das Substrat bei Raumtemperatur dreißig (30) Minuten an der Luft getrocknet, bevor es dreißig (30) Minuten bei 150°C (240°F) an der Luft getrocknet wurde und zwölf (12) Stunden lang bei 360°C (680°F) an der Luft gebrannt wurde.
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle 12'' dargestellt. Die Brennstoffzelle 12'' der 6 unterscheidet sich von der Brennstoffzelle 12 der 4 darin, dass die Anodenträgerplatte 17 und die Kathodenträgerplatte 19 der Brennstoffzelle 12 in 4 hydrophobe Diffusionsschichten 76, 78 bzw. hydrophobe Substratschichten 80, 82 aufweisen, während die Kathodenträgerplatte 19'' in der Brennstoffzelle 12'' der 6 eine teilweise hydrophobe Diffusionsschicht 106 und eine hydrophile Substratschicht 102 aufweist. Außerdem weist die Anodenträgerplatte 17'' der 6 eine hydrophile Substratschicht 108 auf, wobei sie jedoch keine Diffusionsschicht besitzt. Der Verzicht auf die Verwendung einer Diffusionsschicht an der Anodenträgerplatte schafft eine weitere Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle durch Entfernen von allen hydrophoben oder teilweise hydrophoben Barrieren für den Transport von Flüssigwasser von der Anoden-Wassertransportplatte 84 zu der PEM 70.
Unter Bezugnahme auf 7 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle 12''' dargestellt. Die Brennstoffzelle 12''' der 7 unterscheidet sich von der Brennstoffzelle 12 in 4 darin, dass die Anodenträgerplatte 17 und die Kathodenträgerplatte 19 der Brennstoffzelle 12 in 4 hydrophobe Diffusionsschichten 76, 78 bzw. hydrophobe Substratschichten 80, 82 aufweisen, während die Kathodenträgerplatte 19''' der Brennstoffzelle 12''' der 7 nur eine hydrophile Substratschicht 102 aufweist. Außerdem weist die Anodenträgerplatte 17''' der 7 eine hydrophile Substratschicht 108, jedoch keine Diffusionsschicht auf. Bei der Anodenkatalysatorschicht 72 und der Kathodenkatalysatorschicht 74 in den 4 bis 7 handelt es sich um den allgemeinen Typ, der als überflutete Dünnfilm-Katalysatorschicht bezeichnet wird. Derartige Katalysatorschichten sind in dem US-Patent US 5 211 984 A beschrieben, das durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung integriert wird. Alternativ hierzu kann es sich bei der Anodenkatalysatorschicht 72 und der Kathodenkatalysatorschicht 74 um den allgemeinen Typ handeln, der als Gasdiffusions-Katalysatorschicht bezeichnet wird, wie diese in dem US-Patent US 5 501 915 A beschrieben ist, die ebenfalls durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung integriert wird. Durch Entfernen der Diffusionsschicht von der Kathode kann ebenfalls die Leistung der Brennstoffzelle gesteigert werden, da das Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas sich durch weniger Schichten hindurch arbeiten muss, um die Kathodenkatalysatorschicht 74 zu erreichen.
Unter Bezugnahme auf 8 ist eine graphische Darstellung der Stromdichte gegenüber der Zellenspannung für verschiedene Brennstoffzellenkonfigurationen gezeigt, wie sie in Tabelle 1 dargestellt sind.
Tabelle 1
Diese verschiedenen Brennstoffzellenkonfigurationen veranschaulichen, wie eine Änderung der Konstruktion der Brennstoffzelle die Leistung derselben beeinflusst. Genauer gesagt sind die Brennstoffzellenkonfigurationen mit den Symbolen ❍, ∎, ☐ und
bezeichnet. Die MEA 16, die bei allen der Zellenkonfigurationen verwendet wurde, besaß einen 15-μm-PEM-Elektrolyten innerhalb einer Membranelektrodenanordnung, die von der W. L. Gore and Associates, Inc. Elkton, MD unter der Produktbezeichnungsnummer „PRIMEA-5560” bezogen wurde. Die mit dem Symbol ❍ bezeichnete Brennstoffzelle besaß eine Anodenträgerplatte mit einer hydrophoben Diffusionsschicht und einer hydrophoben Substratschicht sowie eine Kathodenträgerplatte mit einer hydrophoben Diffusionsschicht und einer hydrophoben Substratschicht. Genauer gesagt ist die Konfiguration der mit dem Symbol ❍ bezeichneten Brennstoffzelle vorstehend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben worden. Im spezielleren enthielt die mit dem Symbol ❍ bezeichnete Brennstoffzelle eine Anodenträgerplatte 17 und eine Kathodenträgerplatte 19 mit hydrophoben Diffusionsschichten 76, 78, die 90 μm (0,0035 Inch) dick waren und aus porösem Kohlenstoff-Teflon^®-Polytetrafluorethylen(PTFE)-Verbundmaterial mit einer Masse von ca. 12,1 Milligramm pro Quadratzentimeter und einem Gehalt von ca. 50% PTFE hergestellt waren. Die Anodenträgerplatte 17 und die Kathodenträgerplatte 19 besaßen ebenfalls Substratschichten 80, 82 aus porösem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial mit einer Dicke von 175 μm (0,007 Inch) und einer Porosität von ca. 75% und einer mittleren Porengröße von ca. 30 μm. Die Substratschichten 80, 82 wurden hydrophob gemacht, indem diese Substrate mit ca. 165 g Polytetrafluorethylen (PTFE) pro Kubikzentimeter poröses Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial behandelt wurden.
Unter weiterer Bezugnahme auf 8 enthielten die mit den Symbolen ∎, ☐ und
bezeichneten Brennstoffzellen alle Wassertransportplatten angrenzend an die Anoden- und die Kathodenträgerplatte, wobei die Wassertransportplatten konventionelle Passagen hatten. Zusätzlich dazu enthielten alle dieser Brennstoffzellen eine Anodenträgerplatte mit einer hydrophilen Substratschicht ohne Diffusionsschicht. Genauer gesagt enthielt die Anodenträgerplatte 17 dieser drei Brennstoffzellen nur eine hydrophile Substratschicht 80 von 175 μm (0,007 Inch). Die hydrophile Substratschicht 80 war aus einem porösen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial mit einer Porosität von ca. 75% und einer mittleren Porengröße von ca. 30 μm gebildet. Das poröse Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial wurde hydrophil gemacht, indem etwa 26,2 mg Zinnoxid (SnO₂) pro Gramm an Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial zugegeben wurden.
Die mit dem Symbol ∎ bezeichnete Brennstoffzelle enthielt ebenfalls eine Kathodenträgerplatte 19 mit einer hydrophoben Diffusionsschicht und einer hydrophoben Substratschicht. Genauer gesagt enthielt diese Brennstoffzelle eine Kathodenträgerplatte 19 mit einer hydrophoben Diffusionsschicht 78 mit einer Dicke von 90 μm (0,0035 Inch), die aus porösen Kohlenstoff-Polytetrafluorethylen (PTFE) gebildet wurde und eine Masse von ca. 12,1 Milligramm pro Quadratzentimeter besaß sowie ca. 50% PTFE enthielt. Bei der hydrophoben Substratschicht 82 der Kathode handelt es sich um ein poröses Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial von 175 μm (0,007 Inch) und einer Porosität von ca. 75%. Die Substratschicht 82 wurde durch Behandlung derselben mit ca. 165 mg PTFE pro Kubikzentimeter poröses Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial hydrophob gemacht.
Unter weiterer Bezugnahme auf 8 enthielt die mit dem Symbol ☐ bezeichnete Brennstoffzelle eine Kathodenträgerplatte mit einer teilweise hydrophoben Diffusionsschicht und einer hydrophoben Substratschicht. Genauer gesagt enthielt die mit dem Symbol ☐ bezeichnete Brennstoffzelle eine Kathodenträgerplatte 19 mit einer teilweise hydrophoben Diffusionsschicht 78 mit einer Dicke von 17,5 μm (0,0007 Inch), die aus porösem Kohlenstoff-Polytetrafluorethylen-(PTFE-)Teilchenmaterial gebildet war und eine Masse von 2,4 Milligramm pro Quadratzentimeter besaß und ca. 10% PTFE enthielt. Die Kathodenträgerplatte 19 wies ebenfalls eine 175 μm (0,007 Inch) dicke poröse Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial-Substratschicht 82 mit einer Porosität von ca. 75% und einer mittleren Porengröße von ca. 30 μm auf und wurde durch Behandlung mit ca. 165 mg Polytetrafluorethylen pro Kubikzentimeter poröses Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial hydrophob gemacht.
Unter weiterer Bezugnahme auf 8 besaß die mit dem Symbol
bezeichnete Brennstoffzelle eine Kathodenträgerplatte mit einer teilweise hydrophoben Diffusionsschicht und einer hydrophilen Substratschicht. Genauer gesagt enthielt die mit dem Symbol ☐ bezeichnete Brennstoffzelle eine Kathodenträgerplatte 19 mit einer 15,0 μm (0,0007 Inch) dicken, teilweise hydrophoben Diffusionsschicht 78, die aus porösem Kohlenstoff-Polytetrafluorethylen-(PTFE-)Teilchenmaterial hergestellt war und eine Masse von ca. 2,2 Milligramm pro Quadratzentimeter besaß und ca. 10% PTFE enthielt. Die Kathodenträgerplatte 19 besaß ebenfalls eine 175 μm (0,007 Inch) dicke poröse Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial-Substratschicht 82 mit einer Porosität von ca. 75% und einer mittleren Porengröße von ca. 30 μm, wobei sie hydrophil gemacht wurde, indem in dieses Substrat ca. 20,9 Milligramm (mg) Zinnoxid (SnO₂) pro Gramm poröses Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial eingebracht wurden, wodurch das poröse Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial hydrophil gemacht wurde.
Jede der mit den Symbolen ❍, ∎, ☐ und
bezeichneten Brennstoffzellenkonfigurationen wurde in eine Brennstoffzelle platziert, die von einem Wasserstoff-Reaktionsstoffgasstrom sowie einem Luftstrom gespeist wurde, der als Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstrom diente. Die Brennstoffzellen verwendeten ca. 80% des Wasserstoffs und ca. 40% der Luft. Die Brennstoffzellen arbeiteten bei ca. 65°C und etwa Umgebungsdruck. Zur korrekten Handhabung des Produktwassers, das durch die chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und Luft gebildet wurde, betrug ferner der Druckunterschied zwischen den Reaktionsstoffgasströmen und dem Kühlmittelstrom ca. 13,79 kPa (zwei (2) psi). Jede Brennstoffzelle arbeitete für eine Zeitdauer von zehn (10) bis zwölf (12) Tagen, und die in 8 dargestellte Grafik veranschaulicht die Stromdichte gegenüber der Zellenspannung für jede Brennstoffzellenkonfiguration über diese Zeitdauer. Die mit dem Symbol ❍ bezeichnete Brennstoffzelle besaß eine hydrophobe Anoden-Diffusionsschicht, und die mit den Symbolen ∎, ☐ und
bezeichneten Brennstoffzellen enthielten keine Anoden-Diffusionsschicht. Die in 8 gezeigten Daten veranschaulichen, dass die mit den Symbolen ∎, ☐ und
bezeichneten Brennstoffzellen ein höheres Spannungsniveau für eine bestimmte Stromdichte im Vergleich zu der mit dem Symbol ❍ bezeichneten Brennstoffzelle besaßen. Durch Entfernen der Diffusionsschicht in der Anode ließ sich somit die elektrische Leistung der Brennstoffzelle steigern.
Die mit den Symbolen ∎, ☐ und
bezeichneten Brennstoffzellenkonfigurationen wiesen auch eine Anodenträgerplatte auf, die eine hydrophile Substratschicht enthielt, und die mit dem Symbol ❍ bezeichnete Brennstoffzelle besaß eine Anodenträgerplatte, die eine hydrophobe Substratschicht enthielt. Die mit den Symbolen ∎, ☐ und
bezeichneten Brennstoffzellen besaßen ein höheres Spannungsniveau für eine bestimmte Stromdichte im Vergleich zu der mit dem Symbol ❍ bezeichneten Brennstoffzelle. Durch Ersetzen der hydrophoben Substratschicht der Anode durch eine hydrophile Substratschicht läßt sich somit die elektrische Leistung der Brennstoffzelle verbessern. Die elektrische Leistung der Brennstoffzelle kann sich noch weiter verbessern, wenn gleichzeitig die Anoden-Diffusionsschicht vollständig entfernt wird und die hydrophobe Substratschicht der Anode durch eine hydrophile Substratschicht ersetzt wird.
Die mit den Symbolen ☐ und
bezeichneten Brennstoffzellen besaßen eine Kathodenträgerplatte, die eine dünnere und teilweise hydrophobe Diffusionsschicht enthielt, und zwar im Vergleich zu der mit dem Symbol ∎ bezeichneten Brennstoffzelle, die eine dicke, hydrophobe Kathoden-Diffusionsschicht hatte. Die mit den Symbolen ☐ und
bezeichneten Brennstoffzellen besaßen ein höheres Spannungsniveau für eine bestimmte Stromdichte im Vergleich zu der mit dem Symbol ∎ bezeichneten Brennstoffzelle. Durch Reduzieren der Dicke der Diffusionsschicht unter gleichzeitiger Erhöhung ihrer hydrophilen Eigenschaften läßt sich somit die elektrische Leistung der Brennstoffzelle verbessern.
8 veranschaulicht ferner, dass durch Ersetzen der hydrophoben Substratschicht der Kathode durch eine hydrophile Substratschicht die elektrische Leistung der Zelle noch weiter verbessert wird. Genauer gesagt besaß die mit dem Symbol
bezeichnete Brennstoffzelle ein höheres Spannungsniveau für einen bestimmten Strom im Vergleich zu der mit dem Symbol ☐ bezeichneten Brennstoffzelle. Die mit dem Symbol ☐ bezeichnete Brennstoffzelle hatte eine Kathodenträgerplatte, die eine hydrophobe Substratschicht enthielt, doch die mit dem Symbol
bezeichnete Brennstoffzelle besaß eine Kathodenträgerplatte, die eine hydrophile Substratschicht enthielt. Durch Ersetzen der hydrophoben Substratschicht der Kathode durch eine hydrophile Substratschicht läßt sich somit die elektrische Leistung der Brennstoffzelle noch weiter verbessern.
Durch Ersetzen der hydrophoben Substratschicht der Kathodenträgerplatte durch eine hydrophile Substratschicht und durch Reduzieren ihrer Dicke und Erhöhen der hydrophilen Eigenschaften der Diffusionsschicht in der Kathode wird nicht nur die elektrische Leistung der Brennstoffzelle verbessert, sondern auch die Sauerstoffausnutzung der Brennstoffzelle gesteigert. Unter Bezugnahme auf 9 ist eine graphische Darstellung der Brennstoff-Sauerstoffausnutzung gegenüber der Zellenspannung für die verschiedenen Brennstoffzellenkonfigurationen gezeigt, die in der Tabelle 1 dargestellt sind und mit den Symbolen ∎, ☐ und
bezeichnet sind. Alle drei Typen der Brennstoffzellen verwendeten ca. 80% des Wasserstoffs. Die mit dem Symbol
bezeichnete Brennstoffzelle besaß eine höhere Zellenspannung für eine bestimmte prozentuale Sauerstoffausnutzung als die mit dem Symbol ☐ bezeichnete Brennstoffzelle, und die mit dem Symbol ☐bezeichnete Brennstoffzelle hatte eine höhere Zellenspannung für die gleiche prozentuale Sauerstoffausnutzung wie die mit dem Symbol ∎ bezeichnete Brennstoffzelle. Die mit dem Symbol
bezeichnete Brennstoffzelle besaß eine Kathodenträgerplatte, die eine hydrophile Substratschicht und eine teilweise hydrophobe und dünnere Diffusionsschicht enthielt. Durch Austauschen der hydrophoben Substratschicht der Kathode gegen eine hydrophile Schicht sowie Reduzieren der Dicke und der hydrophilen Eigenschaften der Kathoden-Diffusionsschicht wird somit die Sauerstoffausnutzung der Brennstoffzelle verbessert. Für eine bestimmte Menge an Sauerstoff kann somit die mit dem Symbol
bezeichnete Brennstoffzelle mehr Elektrizität erzeugen als die beiden mit den Symbolen ∎ und ☐ bezeichneten Brennstoffzellen.

Eine Neukonfigurierung der Diffusions- und der Substratschichten in der Anode verbessert nicht nur die Arbeitseffizienz einer mit reinem Wasserstoff befeuerten Brennstoffzellen-Kraftanlage, sondern verbessert auch die Arbeitseffizienz einer Brennstoffzellen-Kraftanlage, die mit reformiertem Brennstoff befeuert wird, der ca. 46% Wasserstoff enthält. Reformierter Brennstoff ist ein wasserstoffreicher Gasstrom, der durch bekannte Technologie aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff hergestellt wird. Unter Bezugnahme auf 10 ist eine graphische Darstellung der Zellenspannung in Abhängigkeit von der Stromdichte für zwei Brennstoffzellen mit verschiedenen Anodenkonfigurationen dargestellt, wie sie in der Tabelle 2 veranschaulicht sind, wobei diese einen reformierten Brennstoff verwenden. Tabelle 2

	Anode		Kathode
Experiment	Diffusionsschicht	Substratschicht	Diffusionsschicht	Substratschicht
❍	hydrophob	hydrophob	teilweise hydrophob	hydrophob
∎	keine	hydrophil	teilweise hydrophob	hydrophob

Bei den mit den Symbolen ❍ und ∎ bezeichneten Brennstoffzellen handelt es sich um die gleichen Brennstoffzellenkonfigurationen, wie diese unter Bezugnahme auf 1 sowie 8 und 9 beschrieben worden sind. Genauer gesagt hatten beide Brennstoffzellen eine Kathodenträgerplatte, die eine hydrophobe Diffusionsschicht und eine hydrophobe Substratschicht besaß. Ferner enthielten die mit den Symbolen ❍ und ∎ bezeichneten Brennstoffzellen eine Kathodenträgerplatte 19 mit einer teilweise hydrophoben Diffusionsschicht 78 mit einer Dicke von 87,5 μm (0,0035 Inch), die aus porösem, teilchenförmigen Kohlenstoff-Polytetrafluorethylen-(PTFE-)Verbundmaterial hergestellt wurde und eine Masse von ca. 12,1 Milligramm pro Quadratzentimeter an porösem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial besaß und ca. 50% PTFE enthielt. Jede Kathode 19 besaß ebenfalls eine 175 μm (0,007 Inch) dicke poröse Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial-Substratschicht 82 mit einer Porosität von ca. 75%, die durch Behandeln dieser Substrate mit ca. 165 Gramm PTFE pro Kubikzentimeter poröses Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial hydrophob gemacht wurde. Die Konfiguration der Anodenträgerplatten in den Brennstoffzellen war jedoch unterschiedlich. Genauer gesagt hatte die mit dem Symbol ❍ bezeichnete Brennstoffzelle eine Anodenträgerplatte mit einer hydrophoben Diffusionsschicht und einer hydrophoben Substratschicht, während die mit dem Symbol ∎ bezeichnete Brennstoffzelle eine Anodenträgerplatte nur mit einer hydrophilen Substratschicht besaß. Die hydrophile Substratschicht 18 in der Anodenträgerplatte 17 der mit dem Symbol ∎ bezeichneten Brennstoffzelle war 175 μm (0,007 Inch) dick. Genauer gesagt wurde die hydrophile Substratschicht 80 aus porösem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial mit einer Porosität von ca. 75% gebildet.
Das poröse Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial wurde durch Zugeben von ca. 35,0 mg Zinnoxid (SnO₂) pro Gramm Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial hydrophil gemacht. Beide der mit den Symbolen ❍ und ∎ bezeichneten Brennstoffzellenkonfigurationen wurden in eine Brennstoffzelle platziert, die durch simulierten reformierten Brennstoff und Luft befeuert wurde. Der bei diesem Experiment verwendete reformierte Brennstoff enthielt ca. 46% Wasserstoff, 32% Stickstoff, 22% Kohlendioxid und 20 ppm Kohlenmonoxid. Die Brennstoffzelle hatte eine Ausnutzung von ca. 80% an Wasserstoff in dem reformierten Brennstoff und von ca. 30% der Luft. Die Brennstoffzelle arbeitete bei ca. 65°C sowie etwa bei Umgebungsdruck. Für die angemessene Handhabung des Produktwassers, das durch die chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und der Luft gebildet wurde, betrug ferner der Druckunterschied zwischen den Brennstoff- und Oxidationsmittelgasströmen sowie dem Kühlmittelstrom ca. 13,79 kPa (zwei (2) psi). Jede Brennstoffzelle arbeitete für eine Zeitdauer von zehn (10) bis zwölf (12) Tagen, und die in 10 gezeigte graphische Darstellung veranschaulicht die Zellenspannung in Abhängigkeit von der Stromdichte für jede Brennstoffzellenkonfiguration über diese Zeitdauer. Diese Figur veranschaulicht, dass die mit dem Symbol ∎ bezeichnete Brennstoffzelle ein höheres Spannungsniveau für einen bestimmten Strom als die mit ❍ bezeichnete Brennstoffzelle besaß. Beide Brennstoffzellen hatten identischen Kathodenkonfigurationen. Die mit dem Symbol ∎ bezeichnete Brennstoffzelle hatte jedoch eine Anodenträgerplatte mit nur einer hydrophilen Substratschicht und keiner Diffusionsschicht, während die mit dem Symbol ❍ bezeichnete Brennstoffzelle eine Anodenträgerplatte mit einer hydrophoben Diffusionsschicht und einer hydrophoben Substratschicht besaß. Durch Weglassen der Diffusionsschicht in der Anodenträgerplatte und/oder durch Ersetzen der hydrophoben Substratschicht der Anode durch eine hydrophile Substratschicht wird somit die elektrische Leistung der Brennstoffzelle verbessert.
11 veranschaulicht die Bedeutung der Erzeugung eines Druckunterschieds zwischen den Reaktionsstoffgasströmen und dem Kühlmittelstrom, so dass der Druck der Reaktionsstoffgasströme höher ist als der Druck des Kühlmittelstroms. Im spezielleren veranschaulicht 11 die Leistung einer Brennstoffzelle mit einer Konfiguration, die mit dem Symbol
bezeichnet ist und die unter Bezugnahme auf die Tabelle 1 erläutert wurde. Unter Verwendung derselben Testbedingungen, wie diese vorstehend unter Bezugnahme auf diese Brennstoffzelle erläutert wurden, sowie unter Konstanthaltung all dieser Testbedingungen mit Ausnahme des Druckunterschieds zwischen dem Kühlmittelstrom und dem Oxidationsmittelgasstrom, wurde die Brennstoffzellenspannung in Abhängigkeit von dem Druckunterschied aufgetragen. Der Druckunterschied zwischen dem Kühlmittelstrom und dem Oxidationsmittelgasstrom variierte von ca. 0 bis 30,3 kPa (0 bis 4,4 psi). Wie durch die Pfeile in 11 angedeutet ist, begann der Test genauer gesagt durch Erzeugen eines Druckunterschieds von ca. 30,3 kPa (4,4 psi), wobei dieser allmählich auf Null reduziert wurde und anschließend allmählich auf seinen ursprünglichen Druck erhöht wurde. Während die Brennstoffzelle bei einem Druckunterschied von gleich ca. Null bis einem Bereich von ca. 6,895 bis 13,79 kPa (1,0 bis 2,0 psi) arbeitete, stieg die Zellenspannung von ca. 0,38 Volt auf 0,58 Volt an. Während die Brennstoffzelle bei einem Druckunterschied von über ca. 6,895 bis 13,79 kPa (1,0 bis 2,0 psi) arbeitete, blieb die Zellenspannung jedoch relativ konstant bei einer Spannung von ca. 0,58 bis 0,60 Volt. Die Daten in 11 veranschaulichen, dass sich die Leistung der mit dem Symbol
bezeichneten Brennstoffzelle beträchtlich verbesserte als sich der Druckunterschied zwischen dem Kühlmittelstrom und dem Oxidationsmittelgasstrom von Null auf den Bereich von ca. 6,895 bis 13,79 kPa (1,0 bis 2,0 psi) erhöhte, wobei ab diesem Punkt die Leistung der Brennstoffzelle relativ unverändert blieb. Die Leistung bessert sich bei zunehmendem Druckunterschied zwischen dem Kühlmittelstrom und dem Oxidationsmittelgasstrom, da das die hydrophobe Kathoden-Substratschicht einnehmende Wasser verdrängt wird und in die der Kathodenträgerplatte benachbarte Wassertransportplatte eintritt. Durch Betreiben einer Brennstoffzelle mit einem Druckunterschied zwischen dem Kühlmittelstrom und dem Brennstoff-Reaktionsstoffgasstrom wird somit die Wassermenge genauer gesteuert, die in die hydrophile Anoden-Substratschicht eintritt. Im Gegensatz zu der Arbeitsweise der in dem US-Patent US 5 641 586 A beschriebenen Brennstoffzelle wird ferner beim Betreiben einer Brennstoffzelle mit hydrophilen Substratschichten und einem Druckunterschied zwischen dem Kühlmittelstrom und den Reaktionsstoffgasströmen der prozentuale Anteil an Poren in den hydrophilen Substratschichten erhöht, die Reaktionsstoffgas enthalten, sowie der prozentuale Anteil von Poren vermindert, die Kühlmittel enthalten. Die gesteigerte Anzahl von Poren, die Reaktionsstoffgas in den hydrophilen Substratschichten enthalten, erleichtert wiederum die Diffusion der Reaktionsstoffgase aus den Passagen in den Wassertransportplatten zu den Katalysatorschichten in der MEA.
Die vorstehende Erläuterung in Bezug auf die 8 bis 11 beinhaltet Leistungsdaten für verschiedene Brennstoffzellenkonfigurationen mit konventionellen Passagen in den Wassertransportplatten. Solche Brennstoffzellenkonfigurationen könnten auch kämmende Strömungskanäle (Passagen) in den Wassertransportplatten oder in den Substratschichten beinhalten. Ferner veranschaulicht 16, bei der es sich um eine Vergleichsdarstellung der Stromdichte gegenüber der Zellenspannung für Brennstoffzellen entweder mit kämmenden oder mit konventionellen Passagen in einer Wassertransportplatte handelt, dass die Verwendung von kämmenden Passagen anstelle von konventionellen Passagen die Leistung der Brennstoffzelle verbessert.
Unter weiterer Bezugnahme auf 16 besaßen die mit den Symbolen • und
bezeichneten Brennstoffzellen kämmende Strömungskanäle bzw. Passagen in den Kathoden-Wassertransportplatten, während die mit den Symbolen ❍ und Δ bezeichneten Brennstoffzellen konventionelle Strömungskanäle bzw. Passagen in den Kathoden-Wassertransportplatten besaßen. Zusätzlich zu dem Unterschied in den Strömungsmustern in den Kathoden-Wassertransportplatten hatten die Brennstoffzellen auch unterschiedliche Kathodenträgerplatten-Konfigurationen und/oder -Konstruktionen.
Tabelle 3
Unter Bezugnahme auf die Tabelle 3 enthielten die mit den Symbolen ❍ und • bezeichneten Brennstoffzellen Kathoden-Wassertransportplatten mit konventionellen bzw. mit kämmenden Passagen. Beide Brennstoffzellen hatten jedoch dieselbe Anoden- und Kathodenträgerplatten-Konfiguration. Insbesondere hatten beide Brennstoffzellen Trägerplatten mit einer hydrophoben Diffusionsschicht und einer hydrophoben Substratschicht. Die hydrophobe Diffusionsschicht war ca. 90 μm (0,0035 Inch) dick und war aus einem porösen Kohlenstoff-Teflon^®-Polytetrafluorethylen-(PTFE-)Verbundmaterial gebildet und besaß eine Masse von ca. 12,1 Milligramm pro Quadratzentimeter und enthielt ca. 50% PTFE. Die hydrophobe Substratschicht hatte eine Dicke von ca. 175 μm (0,007 Inch) und war aus porösem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial mit einer Porosität von ca. 75% sowie ca. 165 mg PTFE pro Kubikzentimeter poröses Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial gebildet.
In ähnlicher Weise enthielten die mit den Symbolen Δ und
bezeichneten Brennstoffzellen Kathoden-Wassertransportplatten mit konventionellen bzw. mit kämmenden Passagen, wobei beide Brennstoffzellen jedoch dieselbe Anoden- und Kathodenträgerplatten-Konfiguration besaßen. Insbesondere hatten beide Brennstoffzellen Kathodenträgerplatten mit einer hydrophoben Diffusionsschicht und einer hydrophilen Substratschicht. Die hydrophobe Diffusionsschicht war ca. 25 μm (0,0001 Inch) dick und aus einem porösen Kohlenstoff-Teflon^®-Polytetrafluorethylen-(PTFE-)Verbundmaterial gebildet und hatte eine Masse von ca. 2,2 Milligramm pro Quadratzentimeter und enthielt ca. 10% PTFE. Bei der hydrophilen Substratschicht handelte es sich um eine ca. 175 μm (0,007 Inch) dicke poröse Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial-Substratschicht mit einer Porosität von ca. 75% und einer mittleren Porengröße von ca. 30 μm, wobei diese hydrophil gemacht wurde, indem in dieses Substrat ca. 20,9 Milligramm (mg) Zinnoxid (SnO₂) pro Gramm poröses Kohlenstoff-Kohlenstoff-Faserverbundmaterial eingebracht wurden. Die Konfiguration der Anodenträgerplatten für diese beiden Brennstoffzellen war von der Konfiguration der Kathodenträgerplatten verschieden. Beide Brennstoffzellen hatten eine Anoden-Substratschicht, die mit der Kathoden-Substratschicht identisch war, jedoch hatte keine Brennstoffzelle eine Anoden-Diffusionsschicht.
Jede der vier Brennstoffzellen hatte eine Ausnutzung von ca. 80% des Wasserstoffs (z. B. Brennstoff-Reaktionsstoffgas) und von ca. 40% der Luft (z. B. Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgas) und arbeitete bei ca. 65° C sowie etwa bei Umgebungsdruck. Zur korrekten Handhabung des Produktwassers, das durch die chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und der Luft gebildet wird, betrug ferner der Druckunterschied zwischen den Reaktionsstoffgasströmen und dem Kühlmittelstrom ca. 13,79 kPa (zwei (2) psi). Wie in 16 dargestellt ist, arbeitet dann, wenn zwei Brennstoffzellen die gleiche Anoden- und Kathodenträgerschicht-Konfiguration aufweisen, jedoch eine Brennstoffzelle Kathoden-Wassertransportplatten mit kämmenden Passagen aufweist, während die andere Brennstoffzelle Kathoden-Wassertransportplatten mit konventionellen Passagen aufweist, die Brennstoffzelle, die Kathoden-Wassertransportplatten mit kämmenden (zwischeneinander greifenden) Passagen aufweist, besser als die Brennstoffzelle, die Kathoden-Wassertransportplatten mit konventionellen Passagen aufweist. Genauer gesagt besaß die mit dem Symbol • bezeichnete Brennstoffzelle eine höhere Zellenspannung für eine bestimmte Stromdichte als die mit dem Symbol ❍ bezeichnete Brennstoffzelle, da die mit dem Symbol • bezeichnete Brennstoffzelle Kathoden-Wassertransportplatten mit kämmenden Passagen hatte und die andere Brennstoffzelle Kathoden-Wassertransportplatten mit konventionellen Passagen hatte. Ferner besaß die mit dem Symbol
bezeichnete Brennstoffzelle eine höhere Zellenspannung für eine bestimmte Stromdichte als die mit dem Symbol Δ bezeichnete Brennstoffzelle, da die mit dem Symbol
bezeichnete Brennstoffzelle Kathoden-Wassertransportplatten mit kämmenden Passagen hatte und die andere Brennstoffzelle eine Kathoden-Wassertransportplatte mit konventionellen Passagen hatte. Durch Ersetzen der Kathoden-Wassertransportplatte mit konventionellen Passagen durch eine Kathoden-Wassertransportplatte mit kämmenden Passagen wird somit die elektrische Leistung der Brennstoffzelle verbessert. 16 veranschaulicht ferner, dass eine Brennstoffzelle mit hydrophilen Substratschichten und mit kämmenden Passagen in den Kathoden-Wassertransportplatten eine bessere Leistung als die anderen Zellenkonfigurationen hat.
Unter Bezugnahme auf 17 verbessert die Verwendung von kämmenden (zwischeneinander greifenden) Passagen (Strömungskanälen) in den Kathoden-Wassertransportplatten nicht nur die elektrische Leistung der Brennstoffzelle, sondern steigert auch die Sauerstoffausnutzung der Brennstoffzelle. Diese Figur vergleicht die Sauerstoffausnutzung einer Brennstoffzelle mit kämmenden Passagen mit einer Brennstoffzelle mit konventionellen Passagen. Wie in 16 enthielten die mit den Symbolen • und
bezeichneten Brennstoffzellen wiederum kämmenden Passagen in den Kathoden-Wassertransportplatten, während die mit den Symbolen ❍ und
bezeichneten Brennstoffzellen konventionelle Passagen in den Kathoden-Wassertransportplatten enthielten. Alle vier Brennstoffzellen wurden bei ca. 6458 A·m^–2 (600 amp/ft²) betrieben und hatten eine Wasserstoffausnutzung von ca. 70%, während die Sauerstoffausnutzung variierte. Die Brennstoffzelle mit kämmenden Passagen in den Kathoden-Wassertransportplatten hatte eine höhere Zellenspannung für eine bestimmte Sauerstoffausnutzung im Vergleich zu einer Brennstoffzelle mit konventionellen Passagen in den Kathoden-Wassertransportplatten. Durch Ersetzen der konventionellen Passagen durch kämmende Passagen wird somit die Sauerstoffausnutzung der Brennstoffzelle verbessert. Ferner ergeben sich bei Verwendung von hydrophilen Substratschichten in den Trägerplatten sowie kämmenden Passagen in den Kathoden-Wassertransportplatten die besten Resultate hinsichtlich der Sauerstoffausnutzung.
Obwohl die Verwendung von kämmenden Passagen die Sauerstoffausnutzung der Brennstoffzelle steigert und die elektrische Leistung derselben verbessert, ist es auch wichtig, einen Druckunterschied zwischen den Reaktionsstoffgasströmen und dem Kühlmittelstrom zu erzeugen, und zwar derart, dass der Druck der Reaktionsstoffgasströme höher ist als der Druck des Kühlmittelstroms. 18 zeigt eine Hysteresekurve, bei der die Brennstoffzellenspannung als Funktion des Druckunterschieds zwischen dem Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom für eine Zelle mit kämmenden Passagen in den Kathoden-Wassertransportplatten aufgetragen ist.
Unter Verwendung der Brennstoffzellenkonfiguration, die mit dem vorstehend unter Bezugnahme auf die Tabelle 3 erörterten Symbol
bezeichnet ist, wobei eine solche Brennstoffzelle kämmende Passagen in den Wassertransportplatten besaß und alle dieser Testbedingungen konstant gehalten wurden mit der Ausnahme einer Variierung des Druckunterschieds zwischen dem Kühlmittelstrom und den Reaktionsstoffgasströmen wurde die Brennstoffzellenspannung als Funktion des Druckunterschieds aufgetragen. Der Druckunterschied zwischen dem Kühlmittelstrom und den Reaktionsstoffgasströmen variierte von ca. Null bis 24,1 kPa (Null bis 3,5 psi). Genauer gesagt blieb der Druck der Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasströme konstant, während der Druck des Kühlmittelstroms variiert wurde. Wie in 18 durch die Pfeile angedeutet ist, begann der Test unter Erzeugung eines Druckunterschieds von ca. 23,443 kPa (3,4 psi), der allmählich auf Null reduziert wurde und anschließend allmählich wieder zurück auf seinen ursprünglichen Druck erhöht wurde. Während die Brennstoffzelle bei einem Druckunterschied von gleich etwa Null bis zu einem Bereich von etwa 6,895 bis 10,343 kPa (1,0 bis 1,5 psi) arbeitete, stieg die Zellenspannung von ca. 0,35 Volt auf 0,7 Volt an. Als die Brennstoffzelle bei einem Druckunterschied von über ca. 6,895 bis 10,343 kPa (1,0 bis 1,5 psi) arbeitete, blieb die Zellenspannung jedoch relativ konstant bei einer Spannung von ca. 0,69 bis 0,71 Volt. Die Daten in 18 veranschaulichen, dass sich die Leistung der Brennstoffzelle beträchtlich verbesserte, als der Druckunterschied zwischen dem Kühlmittelstrom und den Reaktionsstoffgasströmen von Null auf den Bereich von ca. 6,895 bis 10,343 kPa (1,0 bis 1,5 psi) anstieg, wobei ab diesem Punkt die Leistung der Brennstoffzelle relativ unverändert blieb. Die Leistung wird bei steigendem Druckunterschied zwischen dem Kühlmittelstrom und den Reaktionsstoffgasströmen besser. Die Erzeugung eines Druckunterschieds zwischen den Reaktionsstoffgasströmen und dem Kühlmittelstrom in einer derartigen Weise, dass der Druck der Reaktionsstoffgasströme höher ist als der Druck des Kühlmittelstroms ist somit bei einer Brennstoffzelle mit kämmenden Passagen genau so wichtig wie bei einer Brennstoffzelle mit konventionellen Passagen, wie diese in 12 dargestellt ist.
19 veranschaulicht die hohen Stromdichten, die mit der Brennstoffzelle erzielbar sind, die die mit dem Symbol
bezeichnete Konfiguration sowie ein kämmendes Oxidationsmittel-Strömungsfeld aufweist. Durch Begrenzen der Stöchiometrie auf unter 2,50 (was manchmal als 250 bezeichnet wird) wird die zum Bewegen von Luft durch die Zelle erforderliche parasitäre Leistung in einer atmosphärischen PEM-Brennstoffzelle auf einem Minimum gehalten.

Claims

Brennstoffzellen-Kraftanlage mit: (a) einer Brennstoffzelle mit einer Anodenträgerplatte und einer Kathodenträgerplatte sowie einer zwischen der Anoden- und der Kathodenträgerplatte angeordneten Membranelektrodenanordnung, wobei die Membranelektrodenanordnung eine zwischen zwei Katalysatoren angeordnete Polymerelektrolytmembran aufweist, und wobei zumindest eine der Trägerplatten eine Substratschicht mit darin vorhandenen Poren sowie mit Eintrittsströmungskanälen und Austrittsströmungskanälen für den Eintritt und Austritt eines Reaktionsstoffgasstroms besitzt, wobei die Eintrittsströmungskanäle und die Austrittsströmungskanäle kämmend angeordnet sind und jeweils durch eine Rippe der Substratschicht voneinander getrennt sind, so dass der Übertritt des Reaktionsstoffgases von den Eintrittsströmungskanälen in die Austrittsströmungskanäle durch die Substratschicht hindurch erfolgen muss; (b) einer porösen Wassertransportplatte, die einer der Trägerplatten benachbart ist, wobei die poröse Wassertransportplatte Strömungskanäle für den Durchtritt eines Kühlmittelstroms aufweist; und mit (c) einer Einrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten Druckunterschieds zwischen dem Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom in einer derartigen Weise, dass der Druck des Reaktionsstoffgasstroms höher ist als der Druck des Kühlmittelstroms.
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 1, wobei beide der Trägerplatten eine poröse Substratschicht sowie Eintrittsströmungskanäle und Austrittsströmungskanäle für den Eintritt und Austritt eines Reaktionsstoffgasstroms besitzen, wobei die Eintrittsströmungskanäle und die Austrittsströmungskanäle kämmend angeordnet sind und jeweils durch eine Rippe der Substratschicht voneinander getrennt sind, so dass der Übertritt des Reaktionsstoffgases von den Eintrittsströmungskanälen in die Austrittsströmungskanäle durch die Substratschicht hindurch erfolgen muss, und wobei die Brennstoffzellen-Kraftanlage ferner folgendes aufweist: jeweils eine den Trägerplatten benachbarte poröse Wassertransportplatte, wobei die porösen Wassertransportplatten jeweils Strömungskanäle für den Durchtritt eines Kühlmittelstroms aufweisen; und jeweils eine Einrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten Druckunterschieds zwischen jedem Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom in einer derartigen Weise, dass der Druck jedes Reaktionsstoffgasstroms höher ist als der Druck des Kühlmittelstroms.
Brennstoffzellen-Kraftanlage mit: (a) einer Brennstoffzelle mit einer Anodenträgerplatte und einer Kathodenträgerplatte und einer zwischen der Anoden- und der Kathodenträgerplatte angeordneten Membranelektrodenanordnung, wobei die Membranelektrodenanordnung eine zwischen zwei Katalysatoren angeordnete Polymerelektrolytmembran aufweist und wobei die Trägerplatten jeweils eine Substratschicht mit darin vorhandenen Poren aufweisen; (b) einer porösen Wassertransportplatte, die einer der Trägerplatten benachbart ist, wobei die poröse Wassertransportplatte Strömungskanäle für den Durchtritt eines Kühlmittelstroms sowie Eintrittsströmungskanäle und Austrittsströmungskanäle für den Eintritt und den Austritt eines Reaktionsstoffgasstroms besitzt, wobei die Eintrittsströmungskanäle und die Austrittsströmungskanäle kämmend angeordnet sind und jeweils durch eine Rippe der Wassertransportplatte voneinander getrennt sind, so dass der Übertritt des Reaktionsstoffgases von den Eintrittsströmungskanälen in die Austrittsströmungskanäle durch die Trägerplatten hindurch erfolgen muss; und mit (c) einer Einrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten Druckunterschieds zwischen dem Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom in einer derartigen Weise, dass der Druck des Reaktionsstoffgasstroms höher ist als der Druck des Kühlmittelstroms.
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 3, wobei die Kathodenträgerplatte eine poröse hydrophile Substratschicht sowie eine teilweise hydrophobe Diffusionsschicht aufweist, die zwischen der Substratschicht und der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist; wobei die Anodenträgerplatte eine poröse hydrophile Substratschicht, jedoch keine Diffusionsschicht aufweist; wobei die Wassertransportplatten hydrophil sind; und wobei der Druck des Oxidationsmittel-Gasstroms zwischen 6,895 kPa (1,0 psig, Überdruck in psi) und 10,343 kPa (1,5 psig) über dem Druck des Kühlmittelstroms liegt.
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 3, wobei die poröse Substratschicht in einer der Trägerplatten hydrophil ist.
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 5, wobei die Poren in der hydrophilen Substratschicht der Kathodenträgerplatte einen derartigen Durchmesser aufweisen, dass dann, wenn der Druckunterschied zwischen dem Oxidationsmittel-Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom gleich dem vorbestimmten Druckunterschied ist, ein größerer prozentualer Anteil der Poren Oxidationsmittelgas anstatt von Kühlmittel enthält.
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 5, wobei wenigstens 50% der Poren in der hydrophilen Substratschicht einen Durchmesser (D) aufweisen, der gleich oder größer als 207/P ist, wobei D in μm angegeben wird und P der vorbestimmte Druckunterschied angegeben in kPa ist (30/P, wenn P in psi angegeben ist).
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 5, wobei es sich bei der hydrophilen porösen Substratschicht um eine poröse Kohlenstoff-Substratschicht handelt, die ein Metalloxid, ein Metallhydroxid oder ein Metalloxyhydroxid aufweist, wobei das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zinn, Aluminium, Niob, Ruthenium, Tantal, Titan, Zink, Zirkonium, sowie Mischungen davon, wodurch die poröse Kohlenstoff-Substratschicht hydrophil gemacht wird.
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 3, wobei der vorbestimmte Druckunterschied zwischen dem Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom 3,448 kPa bis 68,95 kPa (0,5 psi bis 10 psi) beträgt.
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 9, wobei der vorbestimmte Druckunterschied zwischen dem Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom 6,895 kPa bis 20,685 kPa (1,0 psi bis 3 psi) beträgt.
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 10, wobei der vorbestimmte Druckunterschied zwischen dem Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom 13,790 kPa bis 17,238 kPa (2,0 psi bis 2,5 psi) beträgt.
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 3, wobei die poröse Substratschicht in einer der Trägerplatten hydrophob ist.
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 3, wobei eine der Trägerplatten ferner eine Diffusionsschicht aufweist, die zwischen der Substratschicht und der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist.
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 13, wobei die Diffusionsschicht eine kritische Oberflächenenergie aufweist, die gleich oder geringer ist als 30·10^–3 kgs^–2 (30 Dyn pro Zentimeter).
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 3, wobei nur eine von der Anodenträgerplatte und der Kathodenträgerplatte eine Diffusionsschicht aufweist.
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 3, wobei beide der Trägerplatten eine poröse Substratschicht aufweisen und wobei die Brennstoffzellen-Kraftanlage ferner jeweils eine den Trägerplatten benachbarte poröse Wassertransportplatte aufweist.
Brennstoffzellen-Kraftanlage nach Anspruch 16, wobei beide der porösen Wassertransportplatten Strömungskanäle für den Durchtritt eines Kühlmittelstroms sowie Eintrittsströmungskanäle und Austrittsströmungskanäle für den Eintritt und den Austritt eines Reaktionsstoffgasstroms besitzen, wobei die Eintrittsströmungskanäle und die Austrittsströmungskanäle kämmend angeordnet sind und jeweils durch eine Rippe der Wassertransportplatten voneinander getrennt sind, so dass der Übertritt des Reaktionsstoffgases von den Eintrittsströmungskanälen in die Austrittsströmungskanäle durch die Trägerplatten hindurch erfolgen muss, und wobei die Brennstoffzellen-Kraftanlage ferner eine Einrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten Druckunterschieds zwischen jedem Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom in einer derartigen Weise aufweist, dass der Druck jedes Reaktionsstoffgasstroms höher ist als der Druck des Kühlmittelstroms.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Kraftanlage, die folgendes aufweist: (a) eine Brennstoffzelle mit einer Anodenträgerplatte und einer Kathodenträgerplatte und einer Membranelektrodenanordnung, die zwischen der Anodenträgerplatte und der Kathodenträgerplatte angeordnet ist, wobei die Membranelektrodenanordnung eine zwischen zwei Katalysatoren angeordnete Polymerelektrolytmembran aufweist, wobei die Trägerplatten jeweils eine Substratschicht mit darin vorhandenen Poren aufweisen; (b) eine poröse Wassertransportplatte, die einer der Trägerplatten benachbart ist, wobei die poröse Wassertransportplatte Strömungskanäle für den Durchtritt eines Kühlmittelstroms sowie Eintrittsströmungskanäle und Austrittsströmungskanäle für den Eintritt und Austritt eines Reaktionsstoffgasstroms besitzt, wobei die Eintrittsströmungskanäle und die Austrittsströmungskanäle kämmend angeordnet sind und jeweils durch eine Rippe der Wassertransportplatte voneinander getrennt sind, so dass der Übertritt des Reaktionsstoffgases von den Eintrittsströmungskanälen in die Austrittsströmungskanäle durch die benachbarte Trägerplatte hindurch erfolgen muss; und (c) eine Einrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten Druckunterschieds zwischen dem Reaktionsstoffgasstrom und dem Kühlmittelstrom in einer derartigen Weise, dass der Druck des Reaktionsstoffgasstroms höher ist als der Druck des Kühlmittelstroms; wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch folgende Schritte: Strömen lassen von wasserstoffhaltigem Gas angrenzend an die Anodenträgerplatte; Hindurchströmen lassen von Luft im Wesentlichen bei Umgebungsdruck durch die kämmend angeordneten Eintrittsströmungskanäle und Austrittsströmungskanäle; Steuern des Mengenstroms der Luft zur Beibehaltung einer Oxidationsmittel-Stöchiometrie von größer als 0% und höchstens 250%; Betreiben der Brennstoffzelle bei Stromdichten von weniger als 1,6 Ampère pro Quadratzentimeter als Reaktion auf an der Brennstoffzelle angelegte elektrische Lasten; und Betreiben der Brennstoffzelle dergestalt, dass als Reaktion auf eine entsprechende an der Brennstoffzelle angelegte elektrische Last eine maximale Stromdichte von 1,6 Ampère pro Quadratzentimeter erreicht werden kann.
Verfahren zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellensystems mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, deren jede eine Kathodenträgerplatte, eine Anodenträgerplatte, eine zwischen den Trägerplatten angeordnete Membranelektrodenanordnung, Oxidationsmittel-Strömungskanäle auf der Kathodenseite der Membranelektrodenanordnung sowie Brennstoff-Strömungskanäle auf der Anodenseite der Membranelektrodenanordnung aufweist, wobei die Oxidationsmittel-Strömungskanäle Eintrittsströmungskanäle und Austrittsströmungskanäle für den Eintritt und Austritt des Oxidationsmittels aufweisen, wobei die Eintrittsströmungskanäle und die Austrittsströmungskanäle kämmend angeordnet sind und jeweils durch eine Rippe der Kathodenträgerplatte voneinander getrennt sind, so dass der Übertritt des Oxidationsmittels von den Eintrittsströmungskanälen in die Austrittsströmungskanäle durch die Kathodenträgerplatte hindurch erfolgen muss, wobei die Brennstoff-Strömungskanäle Eintrittsströmungskanäle und Austrittsströmungskanäle für den Eintritt und Austritt des Brennstoffs aufweisen, wobei die Eintrittsströmungskanäle und die Austrittsströmungskanäle kämmend angeordnet sind und jeweils durch eine Rippe der Anodenträgerplatte voneinander getrennt sind, so dass der Übertritt des Brennstoffs von den Eintrittsströmungskanälen in die Austrittsströmungskanäle durch die Anodenträgerplatte hindurch erfolgen muss, und wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Hindurchströmen lassen von wasserstoffhaltigem Gas durch die Brennstoff-Strömungskanäle; Hindurchströmen lassen von Luft im Wesentlichen bei Umgebungsdruck durch die Oxidationsmittel-Strömungskanäle; Steuern des Mengenstroms der Luft zur Beibehaltung einer Oxidationsmittel-Stöchiometrie von größer als 0% und höchstens 250%; Betreiben der Brennstoffzelle bei Stromdichten von weniger als 1,6 Ampère pro Quadratzentimeter als Reaktion auf an der Brennstoffzelle angelegte elektrische Lasten; und Betreiben der Brennstoffzelle dergestalt, dass als Reaktion auf eine entsprechende an der Brennstoffzelle angelegte elektrische Last eine maximale Stromdichte von 1,6 Ampère pro Quadratzentimeter erreicht werden kann.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Schritte des Steuerns und Betreibens ferner das Betreiben der Brennstoffzelle bei einer maximalen Stromdichte von 1,5 Ampère pro Quadratzentimeter unter Steuerung des Mengenstroms zur Beibehaltung einer Oxidationsmittel-Stöchiometrie von 167% oder weniger beinhalten.