DE10197106B3

DE10197106B3 - Brennstoffzellen-Hybridströmungsfeld-Befeuchtungszone

Info

Publication number: DE10197106B3
Application number: DE10197106.0T
Authority: DE
Inventors: Michael Perry; Timothy W. Patterson
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2021-12-15
Also published as: JP3911479B2; JP2004521444A; US20020106546A1; US6485857B2; WO2002054507A1; DE10197106T1

Abstract

Brennstoffzellenstapelanordnung, aufweisend eine Mehrzahl von benachbart zueinander gestapelten Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle einen Elektrolyten umfasst mit Elektroden bildenden Einrichtungen, welche eine Anode auf einer Seite des Elektrolyten umfassen, und Einrichtungen, welche eine Kathode auf der entgegengesetzten Seite des Elektrolyten bilden, wobei die Anode und die Kathode jeweils eine poröse Reaktanten-Strömungsfeldplatte mit Wasserströmungskanälen und daran angebrachten Reaktantengas-Strömungskanälen haben, wobei mindestens eine der Strömungsfeldplatten ineinander greifende Reaktantengas-Strömungskanäle hat; wobei die Verbesserung in der mindestens einen ineinander greifenden Strömungsfeldplatte aufweist: einen Befeuchtungsbereich benachbart zu einem Einlass in die ineinander greifende Strömungsfeldplatte, wobei die Befeuchtungszone eine Elektrolyt-Austrocknungsbarriere umfasst, welche zwischen dem Elektrolyten und der mindestens einen Reaktanten-Strömungsfeldplatte angebracht ist, um die Bewegung von Wasser von dem Elektrolyten in einen durch das eine Reaktanten-Strömungsfeld strömenden Reaktantenfluidstrom zu begrenzen, wobei sich die Barriere vom Einlass der mindestens einen Strömungsfeldplatte derart erstreckt, dass eine Befeuchtung des Reaktantenfluidstroms mit Wasser aus den Wasserströmungskanälen ermöglicht ist, wobei der Befeuchtungsbereich Durchstrom-Reaktantenströmungsfeldkanäle umfasst, die sich im Wesentlichen in gleichem Ausmaß wie die Austrocknungsbarriere erstrecken.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf Befeuchtung von unbefeuchteten Brennstoffzellen-Reaktantengasen in der Nähe des Einlasses von ineinander greifenden Reaktanten-Strömungsfeldkanälen durch eine Befeuchtungszone mit nicht ineinander greifenden, Niederdruck-Durchstrom-Strömungspfaden, in welcher die trockenen einströmenden Gase einer Wassertransportplatte ausgesetzt werden und/oder der Anode ausgesetzt werden, aber nicht im Kontakt mit der Membran (oder anderen Reaktionselektrolyten) sind.
Stand der Technik
Brennstoffzellen, welche einen Protonenaustauschmembran-(”PEM”)Elektrolyten verwenden, ist es entscheidend, dass ein geeignetes Wassergleichgewicht innerhalb des PEM-Elektrolyten aufrecht erhalten wird. Dieser Prozess erzeugt nicht nur Wasser an der Kathode, sondern zieht auch Wasser zusammen mit den Ionen von der Anode durch den PEM-Elektrolyten zur Kathode. Wenn der Elektrolyt trocken ist, leidet die Effizienz des Prozesses darunter, auf Grund des vergrößerten ionischen Widerstands und Übergang von Reaktanten, was Wärme erzeugt und zum Membranzerfall führt, wodurch die Lebensdauer des Brennstoffzellenkraftwerks verringert wird.
In manchen Brennstoffzellen werden die Reaktantengase befeuchtet, bevor sie in die Brennstoffzelle eingeführt werden, wodurch die Membran stets mit ausreichender Feuchtigkeit versorgt ist. Dies erfordert jedoch eine Befeuchtungsausstattung, welche das Gewicht, das Volumen und die Komplexität der Brennstoffzelle vergrößert. Im Fall von Brennstoffzellen, die im Wesentlichen bei atmosphärischem Druck arbeiten, wodurch das Erfordernis eines Kompressors vermieden wird, welcher parasitäre Leistungsverschwendung vergrößert, ist es bevorzugt, nicht-befeuchtete Reaktantengase zu verwenden. Wenn dies gemacht wird, werden die Reaktantengase nicht gleich am Einlass der Brennstoffzelle befeuchtet, sondern nur nachdem sie an zu einer Wassertransportplatte und/oder Membranelektrodenanordnung über eine ausreichende Strecke strömen, um den Reaktantengasströmen ausreichende Feuchtigkeit zuzufügen. Zellen, welche Wassertransportplatten verwenden, sind z. B. gezeigt in US-Patent US 5 942 347 A , Koncar et al. am 24. August 1999 erteilt. Die Verwendung von nicht befeuchteten Reaktantengasen führt daher dazu, dass ein Teil des Elektrolyten trocken ist, mit dazu gehörigem Ansteigen in ionischem Widerstand und Übergang von Reaktanten und Reaktionen, was zur Erwärmung und zum Zerfall der Elektrolytmembran führt.
In machen PEM-Brennstoffzellen ist es bekannt, ineinander greifende Strömungsfelder zu verwenden, in welchen die Einlassströmungsströmungskanäle nicht mit den Auslassströmungskanälen in der Weise verbunden sind wie in US-Patent US 5 641 586 A , erteilt für Wilson am 24. Juni 1997. Diese Konstruktion führt dazu, dass die Reaktantengase durch erzwungene Konvektion in die benachbarten porösen Elektrodensubstrate transportiert werden, was effektiver ist als der Diffusionsprozess in Zellen mit konventionellen Durchstrom-Strömungsfeldern. Ineinander greifende Strömungsfelder werden insbesondere bevorzugt verwendet, wenn die Brennstoffzelle mit verdünnten Reaktanten betrieben wird, wie z. B. Luft oder reformiertem Kohlenwasserstoff-Brennstoff, in welchem die Extraktion der gewünschten Reaktantengaskomponente kritischer wird. Es wurde gefunden, dass Verwendung einer Elektrolyten-Austrocknungsbarriere des Typs, der in der o. g. Anmeldung beschrieben ist, zusammen mit ineinander greifenden Strömungsfeldern, in einem Ausmaß, welches ausreicht, Elektrolytaustrocknung zu eliminieren, in einem zu großen Anteil von Elektrolytfläche resultiert, die von der aktiven Beteiligung im Brennstoffzellenprozess entfernt wird, wodurch die Effizienz der Brennstoffzelle verringert wird. Vergrößern der Fläche der Elektrolytenaustrocknungsbarriere vergrößert das Gewicht, Volumen und die Kosten der Brennstoffzelle. Dies ist besonders unerwünscht für Brennstoffzellen zur Verwendung in Fahrzeuganwendungen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Erfindung kann eine verbesserte Reaktanten-Befeuchtungszone in einer Brennstoffzelle zur Verfügung stellen, welche ineinander greifende Strömungsfelder verwendet, und eine Befeuchtungszone in einem ineinander greifenden Strömungsfeld, welche nicht einen übermäßig großen Anteil der elektrochemisch aktiven Fläche neutralisiert.
Erfindungsgemäß umfasst eine Reaktantengas-Befeuchtungszone in einer Brennstoffzelle, welche Reaktantengas-Strömungsfeldplatten mit ineinander greifenden Reaktanten-Strömungskanälen verwendet, einen Einlassbereich mit Durchstrom-Strömungskanälen, welche sich in gleichem Ausmaß wie eine Elektrolyt-Austrocknungsbarriere erstrecken, wodurch die Menge von Elektrolyt, die vor unbefeuchteten Einlass-Reaktantengasen geschützt werden muss, signifikant verringert wird.
Erfindungsgemäß sind Strömungskanäle in der Befeuchtungszone enger und zahlreicher als die Strömungsfeldkanäle, wodurch eine zusätzliche Oxidationsmittel-Kontaktfläche bereitgestellt wird.
Die US 5 686 199 A beschreibt eine Strömungsplatte zur Verwendung in einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle.
Die US 5 300 370 A offenbart eine laminierte Strömungsplatte für elektrochemische Brennstoffzellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Brennstoffzelle aus dem Stand der Technik mit Elektrolyt-Austrocknungsbarrieren benachbart zu dem Oxidationsmittel und Brennstoffströmungsfeld.
2 ist eine schematische Draufsicht eines Anodenströmungsfelds in der Brennstoffzelle von 1.
3 ist eine schematische Draufsicht des Kathodenströmungsfelds in der Brennstoffzelle von 1.
4 ist eine teilweise, schematische Draufsicht im Schnitt eines Teils des Kathodenströmungsfelds von 3, welches modifiziert ist, um die vorliegende Erfindung einzubeziehen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Die Einzelheiten einer Brennstoffzelle mit einer Elektrolyt-Austrocknungsbarriere werden zunächst als Basis für die vorliegende Erfindung beschrieben. Die Elektrolyt-Austrocknungsbarriere verhindert, dass die Brennstoff enthaltenden Gasströme und die Oxidationsmittelgasströme vor einer teilweisen Befeuchtung mit dem Elektrolyt in Kontakt kommen. Die Barrieren können sich über einen kleinen Anteil (im Bereich von 3 bis 10%) der Gesamtlänge des Strömungsfeldes erstrecken. In 1 umfasst eine Brennstoffzelle 10 mit Elektrolyt-Austrocknungsbarrieren 30, 38 eine MEA (Membran-Elektrodenanordnung) 16, welche zwischen der Anoden-Wassertransportplatte 14 und der Kathoden-Wassertransportplatte 12, welche Oxidationsmittel-Strömungsfeldkanäle 18 und Kühlkanäle 24 hat, angeordnet ist. Die MEA 16 umfasst einen Elektrolyten 46, z. B. eine PEM, welcher zwischen einem Anodenkatalysator 48 und einem Kathodenkatalysator 50 befestigt ist. Die Brennstoffzelle 10 kann auch eine poröse Kathodensubstratschicht 52 und eine poröse Kathoden-Gasdiffusionsschicht 54 umfassen, welche zwischen der Kathoden-Wassertransportplatte 12 und dem Kathodenkatalysator 50 befestigt ist, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, und diese Schichten werden oft als integrale Doppelschicht bezeichnet. Die Brennstoffzelle 10 kann auch eine poröse Anodensubstratschicht 56 und eine poröse Anoden-Gasdiffusionsschicht 58 umfassen, welche zwischen der Anoden-Wassertransportplatte 14 und dem Anodenkatalysator 48 befestigt sind.
Um einen Verlust von Reaktantenströmungen aus der Zelle 10 durch die äußeren Kanten der oben beschriebenen Schichten zu vermeiden, ist es üblich, die äußeren Kanten der Schichten abzudichten, wie gezeigt in US-Patent US 6 020 083 A , an Breault et al. am 1. Februar 2000 erteilt. Eine äußere Dichtungskante 60 der Kathoden-Wassertransportplatte 12, eine äußere Dichtungskante 62 des porösen Kathodensubstrats 52 und eine äußere Dichtungskante 64 des porösen Anodensubstrats 56 können beispielsweise mit einem polymeren oder elastomeren Dichtungsmaterial imprägniert sein. Eine Kathoden-Grenzflächendichtung 66 aus einem ähnlichen Dichtungsmaterial kann zwischen den äußeren Kanten der Schichten zwischen dem Kathodensubstrat 52 und der Kathoden-Wassertransportplatte 12 angebracht werden; und eine Anoden-Grenzflächendichtung 68 aus Dichtungsmaterialien kann zwischen den äußeren Kanten des Anodensubstrats 56 und der Anoden-Wassertransportplatte 14 angebracht werden. Wie in 1 gezeigt, kann die Grenzflächendichtung 66 zwischen der Kathoden-Wassertransportplatte 12 und der Kathodensubstratschicht 52 angeordnet sein, und eine Anoden-Grenzdichtung 68 kann zwischen der Anoden-Wassertransportplatte 14 und der Anoden-Substratschicht 56 oder zwischen den äußeren Kanten aller Schichten angebracht sein, um zu verhindern, dass Reaktanten-Strömungen oder Produktfluide die Zeile 10 durch die Kanten der Zellschichten verlassen.
Dem Fachmann ist bekannt, dass eine Brennstoffzelle, welche externe Reaktantenverteiler verwendet, lediglich Kantendichtungen an zwei Kanten von jedem Anoden- und Kathodenkompartment benötigt. Solche Kantendichtungen werden in die Kanten, die in Kontakt mit dem gegenteiligen Reaktanten sind, eingearbeitet. In Bezug auf die Ansicht, welche in 1 gezeigt ist, ist die Kathodendichtung 62 dem Brennstoffgas ausgesetzt und ist notwendig. Im Gegensatz dazu ist die Anodendichtung 64 dem Brennstoffgas ausgesetzt und ist nicht notwendig. Wenn die Anodendichtung 64 entfernt würde, würde sich die in 1 gezeigte Elektrolyt-Austrocknungsbarriere 30 bis zu einem Anfangspunkt 72 (in 2 gezeigt) des Brennstoffeinlasses 32 erstrecken.
Um die vorliegende Erfindung verstehen zu können, ist eine der Anoden-Gasdiffusionsschicht 58 benachbarte periphere Region bei dem Brennstoffeinlass 32. Wie in 1 und 2 gezeigt, erstreckt sich die Breite des Brennstoffeinlasses 32 von einem Anfangspunkt 72 über eine Strecke, die etwa gleich ist wie die Ausdehnung der Dichtungskante 64 des Anodensubstrats 56. Der Brennstoffstrom, der durch den Brennstoffeinlass 32 einströmt, durchströmt anschließend ein Anodenströmungsfeld 75, welches das reduzierende Fluid leitet, damit es benachbart zum Anodenkatalysator 48 strömt. Das Anodenströmungsfeld kann aus den Brennstoffeinlass- und Auslasskanälen 20 innerhalb der Anoden-Wassertransportplatte 14 zusammen mit offenen Poren innerhalb des Anodensubstrats 56 und der Anoden-Gasdiffusionsschicht 58 bestehen. Die Richtung des Brennstoffstroms durch das Anodenströmungsfeld 75 in 2 ist durch die Pfeile 76A bis 76C gezeigt; Pfeil 76B stellt auch eine Umkehr in der Richtung des Stroms des Brennstoffgases dar (was bewerkstelligt wird durch einen Verteiler, nicht gezeigt, welcher an der Brennstoffzelle 10 befestigt ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt). Der Brennstoffgas-Strömungspfad durch das Anoden-Strömungsfeld 75 schließt damit vollständig ein Gebiet ein, von Anfangspunkt 72, zwischen der ersten reduzierenden Fluidkantendichtung 36 und der reduzierenden Fluidströmungsbarriere 34, aber nicht das Gebiet durch die Umkehrung, welches durch den Pfeil 76B dargestellt ist, und zwischen der reduzierenden Fluidströmungsbarriere 34 und einer zweiten reduzierenden Fluidkantendichtung 78 und einem Brennstoffströmungspfad-Endpunkt 80, benachbart zu einer äußeren Kante des Anodenkatalysators 48. Die Erfindung kann angewendet werden auf einen Brennstoffströmungspfad durch ein Anodenströmungsfeld 75, welches keine Umkehr umfasst, oder welches mehrere Umkehrungen umfasst.
Ein Oxidationsmitteleinlass 40 (3) ist durch eine periphere Region des Kathodensubstrats 52, welche mit Dichtungsmaterial bedeckt ist, definiert und er- streckt sich von einem Anfangspunkt 74 (3) über eine Strecke, die etwa gleich ist wie die Dichtungskante 62 des Kathodensubstrats 52. Die Oxidationsmittelströmung des Prozesses, welche durch den Oxidationsmitteinlass 40 einströmt, strömt anschließend durch das Kathodenströmungsfeld 77, welches den Oxidationsmittelstrom über den benachbarten Kathodenkatalysator 50 leitet. Das Kathodenströmungsfeld 77 kann aus Oxidationsmittelkanälen 18, welche innerhalb der Kathoden-Wassertransportplatte 12 definiert sind, zusammen mit offenen Poren innerhalb des Kathodensubstrats 52 und der Kathodengas-Diffusionsschicht 54 bestehen. Die Richtung der Strömung des Oxidationsmittels durch das Kathodenströmungsfeld 77, in 3 durch richtungsangebende Pfeile 82a bis 82h gezeigt, geht gerade durch das Kathodenströmungsfeld 77 in eine Richtung senkrecht zu dem Strom der Brennstoffströmung durch das Anodenströmungsfeld 75. Der Oxidationsmittel-Strömungspfad schließt eine Fläche von einem Anfangspunkt 74 (3) bis zu einem Endpunkt 84 benachbart und zwischen einer äußeren Kantendichtung 62 des Kathodensubstrats 52 vollständig ein.
In 1 und 2 ist die Anodenelektrolyt-Austrocknungsbarriere 30 zwischen dem Elektrolyten 46 und der Anoden-Wassertransportplatte 14 befestigt und erstreckt sich von der Kante des Einlasses 32, entlang dem Brennstoffströmungspfad in dem Anodenströmungsfeld 75, über eine Strecke, die ausreichend ist, damit das durch das Anodenströmungsfeld 75 strömende Brennstoffgas mit Wasser, welches sich innerhalb des Anodenströmungsfeldes 75 befindet, gesättigt wird sowie mit Wasser von der Anoden-Wassertransportplatte 14. In ähnlicher Weise ist die Kathodenelektrolyt-Austrocknungsbarriere 38 befestigt zwischen dem Elektrolyten 46 und der Kathoden-Wassertransportplatte 12 und erstreckt sich von der Kante des Oxidationsmitteleinlasses 40, entlang dem Oxidationsmittel-Strömungspfad im Kathodenströmungsfeld 77 über eine Strecke, die ausreichend ist, damit der durch das Kathodenströmungsfeld 77 strömende Oxidationsmittelstrom mit Wasser gesättigt wird, welches innerhalb des Kathodenströmungsfeldes ist, sowie Wasser von der Kathoden-Wassertransportplatte.
Die Anodenelektrolyt-Austrocknungsbarriere 30 kann gebildet werden durch Aufbringen einer Beschichtung oder eines Films von Austrocknungsbarrieren-Material auf oder Imprägnieren mit dem Austrocknungsbarrieren-Material, die (der) Anodengasdiffusionsschicht 58 (wie in 1 gezeigt) oder die (der) Anodensubstratschicht 56, innerhalb der oben beschriebenen Grenzen in Bezug auf den Brennstoffströmungspfad durch die Brennstoffzelle, um eine Anodenelektrolyt-Austrocknungsbarriere zu definieren. In ähnlicher Weise kann die Kathodenelektrolytbarriere 38 gebildet werden durch Aufbringen einer Beschichtung oder eines Films mit Austrocknungsbarrieren-Material auf die, oder Imprägnieren mit Austrocknungsbarrieren-Material der Kathodengasdiffusionsschicht 54 (wie in 1 gezeigt) oder die (der) Kathodensubstratschicht 52, innerhalb der oben beschriebenen Grenzen in Bezug auf den Oxidationsmittel-Strömungspfad durch die Brennstoffzelle, um die Kathodenelektrolyt-Austrocknungsbarriere 38 zu definieren.
Bevorzugte Austrocknungsbarrieren-Materialien können bekannte Materialien sein, welche mit der Arbeitsumgebung der Brennstoffzelle 10 kompatibel sind, wie z. B. Plastik, Polymere, Elastomere, oder Harzmaterialien mit niedrigen Wasserabsorptionseigenschaften, oder ein kompatibles Metall, wobei die Austrocknungsmaterialien in der Lage sind, Wasser daran zu hindern, durch das Material zu gelangen, um zu verhindern, dass Wasser von dem Elektrolyten durch das Material zum angrenzenden Anoden- oder Kathodenströmungsfeld 75, 77 gelangt. Beispielhafte Dichtungen, die als Austrocknungsbarrieren-Material verwendet werden können, sind beschrieben in dem US-Patent US 6 020 083 A als ”elastomere Dichtungsmaterialien”, wie z. B. ”FLOUROLAST”, Güte SB oder WB, hergestellt durch Flourolast, eine Laureen-Division, mit einem inerten Füllmaterial, wie z. B. Siliciumcarbid, oder alternativ, ”SLYGUARD”, hergestellt durch Dow Chemical Coporation.
Die Erfindung wird beschrieben in Bezug auf 4, welches eine teilweise Ansicht ist, die dem gepunkteten Kreis in 3 entspricht, welche darstellt, wie die aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzelle mit Durchstrom-Oxidationsmittel-Strömungskanälen erfindungsgemäß modifiziert werden kann, um Strömungsfelder mit ineinander greifen Strömungskanälen aufzunehmen. In 4 umfasst ein wesentlicher Anteil des Strömungsfelds 77A (in der Größenordnung von 90 oder 95%) ineinander greifende Strömungskanäle, welche durch einen serpentinenförmigen Steg 88 gebildet sind oder in jeglicher anderer üblicher Art; Einlassströmungskanäle 86 haben keinen Auslass, so dass das Oxidationsmittelgas durch erzwungene Konvektion in die poröse Kathodensubstratschicht 52 (1) transportiert wird und anschließend in die Auslasskanäle 87 einströmt, wie durch die Strömungspfeile in 4 dargestellt. Die Einlass-Strömungskanäle 86 in 4 besetzen in einer Zelle mit ineinander greifenden Strömungsfeldern etwa die Hälfte der Fläche des nicht ineinander greifenden Kathoden-Strömungsfeldes 77 in 3. Die Strömungsrate in den Einlasskanälen 86 ist etwa um den Faktor zwei vergößert (wie in der vorher genannten Anmeldung) als die in den Durchstrom-Oxidationsmittelkanälen wäre.
Die verstärkte Strömung pro Einlasskanal 86 und der verstärkte Massentransfer unterhalb des Stegs 88 auf Grund von Konvektionsströmung führt zu einem übermäßigen Austrocknen der PEM im Einlassbereich des Reaktantenströmungsfeldes einer Zelle mit ineinander greifenden Strömungsfeldern. Dies führt dazu, dass die Austrocknungsbarriere in einer Zelle mit ineinander greifenden Strömungsfeldern etwa doppelt so groß oder größer als die Austrocknungsbarriere in Fällen mit konventionellen Strömungsfeldern ist. Aus den o. g. Gründen, dass es wünschenswert ist, das Zellvolumen und das Gewicht von Brennstoffzellen zu minimieren, ist dies nicht erwünscht, besonders bei denen, die in Kraftfahrzeuganwendungen benutzt werden. Erfindungsgemäß wird die lineare Strömungsrate des Oxidationsmittels innerhalb der Befeuchtungszone herabgesetzt durch Verwendung von Durchstromkanälen 89, die zwischen den Stegen 90 gebildet sind, die lineare Strömungsrate des Oxidationsmittels in den Durchstromkanälen 89 ist ausreichend langsamer, so dass es einen ausreichenden Kontakt des Oxidationsmittels mit dem Wasser in der Wassertransportplatte gibt, um die benötigte Befeuchtung in einer Strömungsstrecke bereitzustellen, welche viel geringer ist als die, die nötig wäre, wenn die Befeuchtungszone direkt über die ineinander greifenden Strömungskanäle 86, 87 überlagert wäre. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Größe der Befeuchtungszone weiter verringert durch Erhöhen der Kontaktfläche zwischen dem Reaktanten und der Oberfläche der Wassertransportplatte. Dies wird erreicht durch Vorhandensein von zusätzlichen Kanälen, indem die Breite der Durchstromkanäle 89 und den Stegen 90 in der Befeuchtungszone signifikant schmaler gemacht wird als die Breite der ineinander greifenden Strömungskanäle 86 und Stege 88. Die größere Anzahl von Kanälen bietet größere Kanalseitenflächen und damit eine größere Kontaktfläche. Es ist bevorzugt, dass die Breite der Durchstromkanäle 89 und Stege 90 25 bis 75% schmaler sind als die Kanäle 86 und Stege 88. Das ist machbar, weil die Länge der Durchstromkanäle klein ist und der daraus resultierende Druckabfall annehmbar ist.
In 4 ist die Kathoden-Elektrolytbarriere 38 durch gepunktete Linien dargestellt und erstreckt sich von der Dichtung 62 bis zu einer Kante 92, deren Position variiert werden kann, um dem Befeuchtungsverfahren jeglicher gegebener Ausführungen der Erfindung angepasst zu werden, wie auch die Stützerfordernisse für gleichförmiges axiale Last. Im Allgemeinen sollte sich die Elektrolyt-Austrocknungsbarriere 38 über die Durchstromkanäle 89 und die Stromübergangsfläche zwischen den Durchstrom-Oxidationsmittelkanälen 89 und den ineinander greifenden Einlassströmungskanälen 86 hinaus erstrecken. 1 zeigt, dass sich der Anodenkatalysator 48 unter der Austrocknungsbarriere 30 erstreckt, und zeigt auch, dass der Elektrolyt 46 sich über die Austrocknungsbarriere 30 hinaus erstreckt. Die Ausmaße der Katalysatorschichten und Elektrolyten können abgeändert werden, ohne den Erfindungsbereich zu verlassen. Die Erfindung wurde in Bezug auf 4 für das Oxidationsmittel-Strömungsfeld bei der Kathode beschrieben; die Erfindung kann jedoch gleich gut für das Strömungsfeld der Anode ausgeführt werden, auf offensichtliche Art und Weise. 1 stellt den Durchstromkanalteil des Strömungsfelds von 1 dar, dargestellt durch die Schnittlinie 1-1 in 4. 4 ist stark übertrieben und nicht maßstabgetreu. Die Breite der Strömungskanäle 89 kann in der Größenordnung von 1 mm (40 mils) breit sein und kann zwischen 5 bis 20% der Länge des Reaktantengas-Strömungspfads durch das Strömungsfeld lang sein. Obwohl diese Erfindung beschrieben wurde für Reaktanten-Strömungskanäle in der Austrocknungsbarrierenzone, sind andere Strömungsfeldgeometrien bekannt und geeignet zur Anwendung mit dieser Erfindung. Diese Erfindung kann ausgeführt werden in Brennstoffzellen mit anderen Elektrolyten als PEM.

Claims

Brennstoffzellenstapelanordnung, aufweisend eine Mehrzahl von benachbart zueinander gestapelten Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle einen Elektrolyten umfasst mit Elektroden bildenden Einrichtungen, welche eine Anode auf einer Seite des Elektrolyten umfassen, und Einrichtungen, welche eine Kathode auf der entgegengesetzten Seite des Elektrolyten bilden, wobei die Anode und die Kathode jeweils eine poröse Reaktanten-Strömungsfeldplatte mit Wasserströmungskanälen und daran angebrachten Reaktantengas-Strömungskanälen haben, wobei mindestens eine der Strömungsfeldplatten ineinander greifende Reaktantengas-Strömungskanäle hat; wobei die Verbesserung in der mindestens einen ineinander greifenden Strömungsfeldplatte aufweist: einen Befeuchtungsbereich benachbart zu einem Einlass in die ineinander greifende Strömungsfeldplatte, wobei die Befeuchtungszone eine Elektrolyt-Austrocknungsbarriere umfasst, welche zwischen dem Elektrolyten und der mindestens einen Reaktanten-Strömungsfeldplatte angebracht ist, um die Bewegung von Wasser von dem Elektrolyten in einen durch das eine Reaktanten-Strömungsfeld strömenden Reaktantenfluidstrom zu begrenzen, wobei sich die Barriere vom Einlass der mindestens einen Strömungsfeldplatte derart erstreckt, dass eine Befeuchtung des Reaktantenfluidstroms mit Wasser aus den Wasserströmungskanälen ermöglicht ist, wobei der Befeuchtungsbereich Durchstrom-Reaktantenströmungsfeldkanäle umfasst, die sich im Wesentlichen in gleichem Ausmaß wie die Austrocknungsbarriere erstrecken.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Durchstrom-Reaktantenströmungsfeldkanäle sich über eine Strecke in das Strömungsfeld erstrecken, die nicht größer ist als die ungefähr benötige Strecke, um die Befeuchtung des entsprechenden Einlass-Reaktantengases zu ermöglichen, um das Austrocknen des Elektrolyten zu vermeiden.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Durchstrom-Reaktantenströmungsfeldkanäle sich über etwa 5 bis 20% der Länge des Reaktantengas-Strömungspfades durch das Strömungsfeld in das Strömungsfeld hinein erstrecken.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt eine Protonenaustauschmembran ist.
Brennstoffzellenstapelanordnung, aufweisend eine Mehrzahl von benachbart zueinander gestapelten Brennstoffzellen, wobei jede der Brennstoffzellen einen Elektrolyten aufweist, mit einer Elektroden bildenden Einrichtung, welche eine Anode auf einer Seite des Elektrolyten umfasst und eine Kathoden-bildende Einrichtung auf einer entgegengesetzten Seite des Elektrolyten umfasst, wobei die Anode und Kathode jeweils eine poröse Reaktanten-Strömungsfeldplatte mit Wasserströmungskanälen und daran angeordneten Reaktantengas-Strömungskanälen haben, wobei mindestens eine der Strömungsfeldplatten Reaktantengas-Strömungskanäle hat, ausgewählt von den Durchstrom-Strömungsfeldkanälen und den ineinander greifenden Strömungsfeldkanälen; wobei die Verbesserung in der mindestens einen Strömungsfeldplatte aufweist: einen Befeuchtungsbereich benachbart zu einem Einlass in die mindestens eine Strömungsfeldplatte, wobei der Befeuchtungsbereich eine Elektrolyt-Austrocknungsbarriere umfasst, welche zwischen dem Elektrolyten und der mindestens einen Reaktanten-Strömungsfeldplatte angeordnet ist, um die Bewegung von Wasser von dem Elektrolyten in einen durch das mindestens eine Reaktantenströmungsfeld strömenden Reaktantenfluidstrom zu begrenzen, wobei sich die Barriere vom Einlass der mindestens einen Strömungsfeldplatte derart erstreckt, dass eine Befeuchtung des Reaktantenfluidstroms mit Wasser aus den Wasserströmungskanälen ermöglicht ist, wobei der Befeuchtungsbereich Durchstrom-Reaktantenströmungskanäle umfasst, die sich im Wesentlichen in gleichem Ausmaß wie die Austrocknungsbarriere erstrecken, wobei die Durchstrom-Reaktantenströmungskanäle eine Breite zwischen 0,25 und 0,75 der Breite der Reaktantengas-Strömungskanäle haben.