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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle
gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1. Die Erfindung kann z. B. auf dem Gebiet der
Herstellung von Brennstoffzellen gewerblich eingesetzt werden.
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Der
prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (kurz:
PEMFC; FC für
fuel cell) ist wie folgt. Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung
(kurz: MEA), die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen
angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (kurz: PEM) aufgebaut ist.
Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei
eine an die Anode grenzende Separatorplatte Fluidführungskanäle für die Verteilung
von Brennstoff aufweist und eine an die Kathode grenzende Separatorplatte
Fluidführungskanäle für die Verteilung
von Oxidationsmittel und wobei diese Kanäle der MEA zugewandt sind.
Als Fluide werden alle in den Fluidführungskanälen (kurz: Kanäle) geführten flüssigen und
gasförmigen
Stoffe bezeichnet.
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Eine
Separatorplatte weist üblicherweise Eingangs-
und Ausgangsports auf, durch die hindurch der Brennstoff bzw. das
Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle ein- und austreten.
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Ferner
können
Eingangs- und Ausgangsports für
ein Kühlmittel
vorgesehen sein. Die Eingangs- und Ausgangsports sind üblicherweise Durchbrechungen,
die, bei Übereinanderstapelung mehrerer
Brennstoffzellen zu einem Stack, schacht- oder rohrartige Leitungen
ergeben.
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Die
Kanäle
bilden den Anoden- bzw. Kathodenraum. Die Elektroden, Anode und
Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden (kurz: GDE)
ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen
Reaktion („Brennstoffzellenreaktion", z. B. 2 H2 + O2 → 2 H2O) erzeugten elektrischen Strom abzuleiten
und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, hindurch diffundieren
zu lassen. Eine GDE besteht üblicherweise
aus einer Katalysatorschicht, die mit der PEM in Kontakt steht,
eine sich daran anschließende
Gasdiffusionslage und eine an die GDL angrenzende Gasverteilungslage. Es
kann auch eine andere Abfolge mit mehreren Gasdiffusions- und Gasverteilungslagen
vorgesehen sein. Gasdiffusions- und Gasverteilungslagen werden nachfolgend
der Einfachheit halber zusammenfassend als Gasdiffusionslage (kurz:
GDL) bezeichnet. Derartige GDL sind im Allgemeinen aus einem porösen Material
gebildet, sodass Fluide durch sie hindurch von den Fluidführungskanälen zu den
reaktiven Zentren der Katalysatorschicht gelangen können. Dabei
weisen Gasverteilungslagen im Allgemeinen größere Poren auf als Gasdiffusionslagen.
Entsprechend findet der Transport eines Fluids in einer Gasverteilungslage
durch Verteilung statt, wohingegen er in einer Gasdiffusionslage
durch Diffusion stattfindet.
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Als
Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt.
Meist werden gasförmige
Reaktionsstoffe (kurz: Reaktionsgase) eingesetzt, z. B. H2 oder ein H2-haltiges
Gas (z. B. Reformatgas) als Brennstoff und O2 oder
ein O2-haltiges Gas (z. B. Luft) als Oxidationsmittel.
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Eine
derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen
elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen
sind meist, wie bereits oben angedeutet, zu so genannten Brennstoffzellenstapeln
(kurz: Stacks) gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen,
wobei anstelle monopolarer Separatorplatten bipolare Separatorplatten
(kurz: Bipolarplatten) eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur
als Endplatten des Stacks. Die Separatorplatten können aus
zwei oder mehr Teilplatten bestehen, die eine Einheit – eine sog. „Separatorplatteneinheiten" – bilden. Eine derartige Separatorplatte
kann weitere Bauteile aufweisen (z. B. Dichtungen, Stromabnehmerfähnchen usw.),
auf die der Kürze
halber aber nicht weiter eingegangen werden soll.
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Die
Einzelzellen eines Stacks werden beim Stapeln üblicherweise mit geeigneten
Verspannungsmitteln gegeneinander verspannt, d. h. aneinander gedrückt, um
eine ausreichende fluidische Dichtigkeit der Einzelzellen und des
Stacks gegenüber
der Umgebung und einen ausreichenden elektrischen Kontakt innerhalb
der Einzellzellen und des Stacks zu gewährleisten.
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Eine
Aufgabe der Separatorplatte besteht darin, die Edukte für die Brennstoffzellenreaktion (Brennstoff
bzw. Oxidationsmittel) auf der dafür vorgesehenen Seite der MEA
entlang ihrer Oberfläche möglichst
homogen zu verteilen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Produkte
der Brennstoffzellenreaktion, insbesondere das Produktwasser, zu
sammeln und möglichst
effektiv zu entfernen. Dazu weist eine Separatorplatte, wie bereits
oben angedeutet, üblicherweise
eine Kanalstruktur auf, ein sog. Strömungsfeld.
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Das
Fluid, das in den kathodenseitigen Kanälen der Separatorplatte geführt wird
(Oxidationsmittel), reichert sich infolge der Brennstoffzellenreaktion
entlang der Kanäle
in Strömungsrichtung
zunehmend mit Produktwasser an, das nach Sättigung des Fluids in flüssiger Form
auftreten kann. Flüssiges Wasser
kann zur Verstopfung der Kanäle
führen
und so die Zuführung
von Oxidationsmittel zu den Reaktionszentren behindern. Daher muss
anfallendes flüssiges
Wasser in den Kanälen
ausreichend abtransportiert werden. Dazu muss an den Enden der Kanäle eine
ausreichende Druckdifferenz anliegen, damit anfallendes flüssiges Wasser
aus der Brennstoffzelle geblasen wird. Ist die Druckdifferenz zu
gering, wird das Wasser nicht ausreichend aus der Brennstoffzelle
entfernt und behindert den Transport von Oxidationsmittel, wodurch
die Brennstoffzelle an Leistung verliert. Eine möglichst große Druckdifferenz ist daher
nicht nur in dieser Hinsicht wünschenswert,
sondern sie bewirkt auch eine bessere Verteilung der Fluide auf
die einzelnen Kanäle
in einer Einzelzelle und eine bessere Verteilung auf die Einzelzellen
in einem Stack. Eine ungleichmäßige Verteilung
des Oxidationsmittels bewirkt dagegen eine Verschlechterung der
Leistung der Brennstoffzelle. Unter ungünstigen Umständen werden
dabei Teile der aktiven Fläche
der MEA nicht ausreichend mit Reaktionsstoffen versorgt, was bis
hin zur Schädigung
der MEA führen
kann.
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Andererseits
kann es bei einer großen Druckdifferenz
zu sog. fluidischen Kurzschlüssen kommen.
Dabei strömt
ein Teil des Fluids nicht wie vorgesehen in Richtung der Hauptströmung dem
Kanal entlang, sondern quer zur Hauptströmung (Querströmung) durch
die angrenzende GDL hindurch von einem stromaufwärts gelegenen Segment des Kanals
in ein benachbart, stromabwärts
liegendes Segment desselben Kanals. Derartige fluidische Kurzschlüsse können insbesondere
bei lang gestreckten Strömungsfeldern
auftreten, bei denen die Druckdifferenzen zwischen benachbarten
Segmenten desselben Kanals besonders hoch sind. Die Druckdifferenzen
resultieren daraus, dass die betreffenden Kanalabschnitte unterschiedlich
weit von den Enden der Kanäle
entfernt und dadurch unterschiedlichen Druckverlusten unterworfen
sind. Durch derartige fluidische Kurzschlüsse kann es zur Unterversorgung von
Teilen der MEA mit Reaktionsstoffen kommen und damit zu Einbußen bei
der Leistung der Brennstoffzelle. Daher ist in dieser Hinsicht eine
möglichst geringe
Druckdifferenz wünschenswert.
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Querströmungen sind
dagegen bei benachbarten, unterschiedlichen Kanälen, insbesondere bei ineinander
greifenden Strömungsfeldern
(interdigitated Flowfields) erwünscht,
um z. B. die unter den Stegen liegenden Bereiche der angrenzenden
GDL bzw. MEA mit Reaktionsstoffen zu versorgen. Außerdem kann über derartige
Querströmungen
die Feuchteverteilung positiv beeinflusst werden, da durch die Querströmung der
Gesamtvolumenstrom in dem nachfolgenden Kanalsegment reduziert wird
und somit dieser Volumenstrom stärker
befeuchtet wird. Dies kann bei trockenen Bedingungen ein Vorteil sein,
durch eine lokal bessere Befeuchtung der PEM und somit einen geringeren
ionischen Membranwiderstand.
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Die
Querströmung
zwischen benachbarten Kanälen
kann durch eine Anordnung der Kanäle in paralleler Form vermieden
werden. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in
DE 196 02 315 A1 beschrieben.
Ein Nachteil dieser parallelen Anordnung besteht in der höheren Anforderung
an die Fertigungstoleranz und der fehlenden Möglichkeit den Stofftransport
und die Feuchteverteilung zu beeinflussen. Zur Erzielung vergleichbarer
Druckdifferenzen zwischen Strömungsfeldern
mit geradlinig verlaufenden Kanälen
und Strömungsfeldern
mit Mäandern
müssen
bei geradlinig verlaufenden Kanälen wegen
deren geringeren Längen
z. B. deren Querschnitte verkleinert werden. Eine Verkleinerung
der Kanalquerschnitte erfordert aber kleinere Fertigungstoleranzen,
wobei sich die Fertigungskosten mit abnehmenden Fertigungstoleranzen
stark erhöhen.
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Zusammenfassend
besteht das Problem, dass einerseits hohe Druckdifferenzen erwünscht sind,
um die Entfernung von Wasser aus der Brennstoffzelle und die Versorgung
von zwischen den Kanälen,
unter den Stegen liegenden Bereichen der MEA mit Reaktionsstoff
sicherzustellen, und dass andererseits zu hohe Druckdifferenzen
zu fluidischen Kurzschlüssen
mit Unterversorgung von ganzen MEA-Bereichen führen können.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2004 058 040 A1 geht
ein Brennstoffzellensystem hervor, das zur Verhinderung von Querströmungen zwischen
benachbarten Fluidführungskanälen die Porosität der GDL,
die mindestens einen Steg zwischen einem stromaufwärtigen Bereich
der Fluidführungskanäle und einem
Bereich der stromabwärtigen Fluidführungskanäle berührt, geringer
ist als die Porosität
der GDL, die andere Stege berührt.
Bereiche geringerer Porosität
können
durch Imprägnieren
der Löcher
des porösen
Bereichs der GDL mit Harz gebildet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel
wird der Bereich geringerer Porosität jedoch durch stellenweises
Zusammendrücken
der GDL gebildet. In
7 ist ein bestimmter
Stegbereich höher
als die anderen Stegbereiche der Separatorplatte. Beim Zusammenbau
einer Brennstoffzelle drücken
die überstehenden
Stege auf die GDL wobei die Porosität in diesem Bereich gezielt
gesteuert werden kann.
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Die
Porosität
kann dabei fast auf null gedrückt
und ein Gasaustritt somit fast vollständig gestoppt werden.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein
Verfahren anzugeben, mit dem eine Brennstoffzelle auf einfache Weise
herstellbar ist, die einerseits zur ausreichenden Entfernung von
Produktwasser mit der dafür
erforderlichen Druckdifferenz zwischen den Eingängen und den Ausgängen mäandrierender
Fluidführungskanäle betrieben
werden kann und bei der andererseits nur eine geringe Gefahr fluidischer
Kurzschlüsse
besteht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den
Gegenstand des unabhängigen
Patentanspruchs gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind Gegenstände
der abhängigen
Patentansprüche.
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Eine
geeignete Brennstoffzelle umfasst zumindest eine Membran-Elektroden-Anordnung
(kurz: MEA) mit einer porösen
Gasdiffusionslage (kurz: GDL) und eine an die GDL angrenzende Separatorplatte,
wobei die Separatorplatte GDL-seitig ein Strömungsfeld mit vorzugsweise
parallel verlaufenden Fluidführungskanälen (kurz:
Kanäle)
für die
Verteilung eines Fluids entlang der GDL aufweist, wobei die Kanäle zu einem
Kanalbündel
mit innen- und außenliegenden
Kanälen
zusammengefasst sind, das mäanderförmig von
einem Eingangsport zu einem Ausgangsport der Separatorplatte verläuft, wobei
ferner benachbart angeordnete Kanäle und Segmente eines Kanals
durch Stege voneinander getrennt sind. Die GDL weist in einem an
einen Steg, der zwei benachbart angeordnete Segmente eines außenliegenden
Kanals voneinander trennt (kurz: Außensteg), angrenzenden Bereich
zumindest abschnittsweise eine geringere fluidische Durchlässigkeit
auf als in den übrigen
Bereichen der GDL.
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Der
Begriff „Gasdiffusionslage" wird im Rahmen der
vorliegenden Erfindung vereinfachend eingesetzt und umfasst auch
eine Gasverteilungslage oder eine Abfolge aus einer oder mehreren
Gasdiffusionslagen und einer mehreren Gasverteilungslagen.
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Besteht
das Kanalbündel
aus nur zwei Kanälen,
so gibt es nur außenliegende
Kanäle.
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Bei
dem Fluid handelt es sich um einen flüssigen oder gasförmigen Reaktionsstoff,
der beim bestimmungsgemäßen Betrieb
durch die Kanäle
des Strömungsfelds
strömt
(Reaktionsstoffstrom). Das Fluid kann außer dem eigentlichen Reaktionsstoff (Brennstoff
im Falle des anodenseitigen Strömungsfelds
oder Oxidationsmittel im Falle des kathodenseitigen Strömungsfelds)
weitere flüssige
und/oder gasförmige
Komponenten enthalten, z. B. Wasser, inerte Gase, usw..
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Der
Begriff „fluidische
Durchlässigkeit" wird im Rahmen der
vorliegenden Erfindung in Analogie zur hydraulischen Durchlässigkeit
(auch hydraulische Leitfähigkeit)
verstanden. Während
die hydraulische Durchlässigkeit
sich speziell auf Wasser bezieht, soll die fluidische Durchlässigkeit
sich allgemein auf in Brennstoffzellen, insbesondere kathodenseitig
eingesetzte Fluide beziehen.
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Diese
Brennstoffzelle weist zwar mäandrierende
Kanäle
auf, bei denen Kanalsegmente mit hohem Druck benachbart sind zu
Kanalsegmenten mit niedrigem Druck, sodass ein großer Druckunterschied
zwischen benachbarten Segmenten ein und desselben Kanals besteht.
Ein fluidischer Kurzschluss, bei dem das in dem Kanal geführte Fluid
abkürzend
durch die GDL hindurch von dem Hochdruckkanalsegment in das benachbarte
Niederdruckkanalsegment strömt,
wird jedoch durch den zwischen diesen Kanalsegmenten liegenden Außensteg mit
im Vergleich zur übrigen
GDL verringerter fluidischer Durchlässigkeit weitgehend verhindert.
Folglich kann die Brennstoffzelle mit verhältnismäßig hohem Druckunterschied
zwischen den Kanaleingängen
und den Kanalausgängen
betrieben werden, um flüssiges
Wasser ausreichend auszutreiben. Dadurch bringt die Brennstoffzelle
eine verbesserte Leistung, da sowohl die Gefahr der Leistungsverminderung
durch fluidische Kurzschlüsse,
als auch die Gefahr der Leistungsverminderung durch mangelnde Reaktionsstoffzufuhr
infolge Verstopfung durch flüssiges
Wasser vermindert oder sogar beseitigt ist.
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Die
fluidische Durchlässigkeit
ist benachbart zu dem Außensteg
zumindest abschnittsweise herabgesetzt, und zwar zumindest in den
von einem fluidischen Kurzschluss besonders gefährdeten Bereichen der GDL.
Vorzugsweise ist die fluidische Durchlässigkeit aber benachbart zu
dem Außensteg
durchgängig
um das im Wesentlichen gleiche Ausmaß herabgesetzt, was wesentlich
einfacher realisierbar ist.
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Dabei
ist es bevorzugt, wenn die GDL im an den Außensteg angrenzenden Bereich
eine höhere Dichte,
insbesondere eine geringere Porosität aufweist als in den übrigen Bereichen
der GDL. GDLs, bei denen die fluidische Durchlässigkeit in speziellen Bereichen
durch Verdichtung, insbesondere durch Verringerung der Porosität erreicht
wurde, sind mit einfachen Mitteln und auf einfache Weise herstellbar. Erfindungsgemäß ist hierfür eine Bearbeitung
mit entsprechend profilierten Walzen vorgesehen.
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Dabei
ist es weiter bevorzugt, wenn zumindest einige der Poren der GDL
im an den Außensteg angrenzenden
Bereich infolge einer Krafteinwirkung eingebrochen sind. Dadurch
können
die Porosität und
die fluidische Durchlässigkeit
in den gewünschten
Bereichen auf besonders einfache Weise herab gesetzt werden.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzelle
weist zumindest ein Außensteg
des Kanalsystems zumindest abschnittsweise eine größere Höhe auf als
die übrigen
Stege des Kanalsystems. Beim Verspannen der Brennstoffzelle wird
dadurch der an den höheren
Steg (Außensteg) angrenzende
Bereich der GDL stärker
komprimiert als die übrigen
Bereiche der GDL. Die verspannte Brennstoffzelle weist dadurch zwangsläufig in
dem gewünschten
Bereich benachbart zum Außensteg eine
erhöhte
Dichte bzw. eine verringerte Porosität, mithin eine geringere fluidische
Durchlässigkeit
auf. Dies stellt eine besonders einfache Möglichkeit zur Realisierung
der Brennstoffzelle dar.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzelle sind
zumindest einige der Poren der GDL, vorzugsweise alle Poren der
GDL, im an den Außensteg
angrenzenden Bereich zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig mit
einem Füllmaterial
aufgefüllt.
Dadurch kann die Dichte der GDL im gewünschten Bereich erhöht bzw.
ihre dortige Porosität
herabgesetzt sein, ohne dass dazu Kräfte auf die MEA ausgeübt werden
müssten,
die bei unzweckmäßigem Einsatz
zu Beschädigungen
führen können. Ferner
kann durch entsprechenden Einsatz des Füllers die fluidische Durchlässigkeit
gezielt bis hin zur annähernd
vollständigen
fluidischen Undurchlässigkeit
verringert sein. Als Füller
kommt beispielsweise eine rußhaltige
Zubereitung mit geeigneter Konsistenz, z. B. eine Dispersion oder
eine Paste, in Frage, die vorzugsweise unter Druck in die GDL eingearbeitet
wird. Enthält
die rußhaltige
Zubereitung Teilchen, so ist deren Größenverteilung, vorzugsweise
der Teilchendurchmesser, im Vergleich zu der Größenverteilung der Poren der
GDL, vorzugsweise der Porendurchmesser, zu kleineren Werten verschoben.
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Bei
einer Separatorplatte für
die vorstehend beschriebene Brennstoffzelle weist zumindest ein Außensteg
des Strömungsfelds
zumindest abschnittsweise eine größere Höhe auf als die übrigen Stege
des Strömungsfelds.
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Mit
dieser Separatorplatte kann die Brennstoffzelle in besonders einfacher
Art und Weise durch Verspannen realisiert werden. Dabei wird beim
Verspannen der an den höheren
Steg (Außensteg)
angrenzende Bereich der GDL stärker
komprimiert als die übrigen
Bereiche der GDL. Die verspannte Brennstoffzelle weist dadurch zwangsläufig in
dem gewünschten
Bereich benachbart zum Außensteg eine
erhöhte
Dichte bzw. eine verringerte Porosität, mithin eine geringere fluidische
Durchlässigkeit
auf. Die Separatorplatte ist damit in besonderem Maße für die Brennstoffzelle
geeignet.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der
vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle. Erfindungsgemäß verringert
man dabei die fluidische Durchlässigkeit
der GDL im an einen Steg, der zwei benachbart angeordnete Segmente
eines außenliegenden
Kanals voneinander trennt (Außensteg),
angrenzenden Bereich, indem man die GDL mit entsprechend profilierten Walzen
bearbeitet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es, eine Brennstoffzelle auf einfache Weise herzustellen, die einerseits
zur ausreichenden Entfernung von Produktwasser mit der dafür erforderlichen Druckdifferenz
zwischen den Eingängen
und den Ausgängen
mäandrierender Fluidführungskanäle betrieben
werden kann und bei der andererseits nur eine geringe Gefahr fluidischer
Kurzschlüsse
besteht, ohne dass hierzu ein erhöhter Aufwand erforderlich ist.
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Dabei
ist es bevorzugt, wenn man die Dichte der GDL im an den Außensteg
angrenzenden Bereich erhöht,
vorzugsweise dass man die Porosität der GDL im an den Außensteg
angrenzenden Bereich verringert. Dadurch können GDLs mit in speziellen
Bereichen reduzierter fluidischer Durchlässigkeit mit einfachen Mitteln
und auf einfache Weise hergestellt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden die GDLs dazu mit entsprechend profilierten Walzen bearbeitet.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
arbeitet man in die GDL zumindest abschnittsweise im an den Außensteg
angrenzenden Bereich ein Füllmaterial
ein.
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Dadurch
kann man die Dichte der GDL im gewünschten Bereich erhöhen bzw.
ihre dortige Porosität
herabsetzen, ohne dass man dazu Kräfte auf die MEA ausüben muss,
die bei unzweckmäßigem Einsatz
zu Beschädigungen
führen
können.
Ferner kann man durch entsprechenden Einsatz des Füllers die
fluidische Durchlässigkeit
gezielt bis hin zur annähernd
vollständigen
fluidischen Undurchlässigkeit verringern.
Als Füller
kommen die bereits vorstehend beschriebenen rußhaltigen Zubereitungen in
Frage.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale und die nachstehend
noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern
auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar
sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die
Erfindung wird in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert, wobei
sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche, funktionell gleiche oder ähnliche
Bauteile beziehen.
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Dabei
zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine
Draufsicht auf eine Separatorplatte mit einem Strömungsfeld
gemäß dem Stand der
Technik;
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2 ein
Ausschnitt aus einem Schnitt durch eine Brennstoffzelle, die nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhältlich
ist,
wobei nur die für
das Verständnis
der Erfindung erforderliche Merkmale bezeichnet sind.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf eine herkömmliche
Separatorplatte (1) mit einem Strömungsfeld (2). Das
Strömungsfeld
(2) weist sieben parallele, lang gestreckte Fluidführungskanäle (3),
von denen der Übersichtlichkeit
halber nur einer bezeichnet ist, auf, die zu einem Kanalbündel (4)
zusammengefasst sind, das zwischen einem Eingangsport (5)
und einem Ausgangsport (6) mäanderförmig, viermal umgelenkt verläuft. Das
Kanalbündel
(4) weist zwei äußere Kanäle (7, 8)
auf, sowie fünf
innere Kanäle
(9), von denen der Übersichtlichkeit
halber nur einer bezeichnet ist. Die Kanäle (3) sind durch
Stege (10), von denen der Übersichtlichkeit halber nur
einer bezeichnet ist, voneinander getrennt. Die vier Umlenkungen
teilen die Kanäle
(3, 7, 8, 9) in fünf Segmente, wobei
in zwei aufeinander folgenden Segmenten unterschiedliche Strömungsrichtungen
vorliegen. Bei dem äußeren Kanal
(8) ist das erste Segment benachbart zu dem dritten Segment
angeordnet und von diesem durch einen Außensteg (11) getrennt. Das
erste Segment von Kanal (8) erstreckt sich vom Eingangsport
(5) bis zur ersten Umlenkung. Das benachbarte dritte Segment
von Kanal (8) erstreckt sich von der zweiten Umlenkung
bis zur dritten Umlenkung. Dabei herrscht insbesondere im ersten
Segment am Eingang von Kanal (8), d. h. am Übergang zwischen
Eingangsport (5) und Kanal (8), ein hoher Druck,
während
im dritten Segment, im Bereich der dritten Umlenkung ein schon erheblich
geringerer Druck vorliegt. Bei herkömmlichen Strömungsfeldern (2)
besteht daher wegen der großen
Druckdifferenz zwischen diesen beiden Segmenten die Tendenz, dass
das im Kanal (8) geführte
Fluid wenigstens zum Teil der mit dem Pfeil (12) gekennzeichneten
Querströmung
folgt, somit eine Abkürzung
nimmt und nicht dem Verlauf des Kanals folgt (fluidischer Kurzschluss).
Dadurch kommt es zur Verarmung von Bereichen der MEA mit Reaktionsstoff
(hier speziell Oxidationsmittel), die in einer entsprechenden Brennstoffzelle
an den Kanal (8) im Bereich der ersten und zweiten Umlenkung
angrenzen, mit der bekannten negativen Folge des Leistungseinbruchs
oder sogar der Schädigung
der MEA, je nach Ausmaß des
fluidischen Kurzschlusses. Im Bereich des Pfeils (13) tritt prinzipiell
die gleiche nachteilhafte Situation einer unerwünschten Querströmung und
eines fluidischen Kurzschlusses auf.
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2 zeigt
einen Ausschnitt aus einem Schnitt durch eine Brennstoffzelle mit
einer kathodenseitigen Separatorplatte (1') und einer anodenseitigen Separatorplatte
(1'') und einer
dazwischen angeordneten MEA (14). Die MEA (14)
weist eine PEM auf, auf der beidseitig eine Katalysatorschicht aufgebracht
ist (nicht näher
bezeichnet). Die MEA (14) weist ferner eine kathodenseitige
GDL (15')
und eine anodenseitige GDL (15') auf. Die Fig. wird nachfolgend
der Einfachheit halber nur anhand der Kathodenseite erläutert, da
die Situation auf der Anodenseite prinzipiell die Gleiche ist und
Nachfolgendes ohne weiteres auf diese übertragen werden kann. Der
dargestellte Ausschnitt zeigt den äußeren Kanal (8) mit
seinem ersten Segment (8a), das unter hohem Druck steht,
und seinem benachbarten, dritten Segment (8b), das unter
einem niedrigeren Druck steht, wobei die Segmente (8a, 8b)
durch den Außensteg (11)
voneinander getrennt sind. Die Segmente (8a, 8b)
sind ferner durch Stege (10a, 10b) von benachbarten
Kanälen
(nicht dargestellt) getrennt. Der Außensteg (11) weist
eine größere Höhe auf als
die Stege (10a) und (10b). Dadurch wurde die angrenzende GDL
(15') beim
Verspannen der Brennstoffzelle im Bereich des Außenstegs (11) stärker komprimiert
als in den übrigen
Bereichen wie z. B. im Bereich der Stege (10a) und (10b).
Als Folge der Komprimierung sind die Poren der GDL (15') im an den
Außensteg (11)
angrenzenden Bereich eingebrochen, sodass die Porosität in diesem
Bereich herabgesetzt ist und die Dichte entsprechend erhöht. Dadurch
ist die fluidische Durchlässigkeit
in diesem Bereich geringer als in den übrigen Bereichen der GDL (15'), sodass dem
in Kanal (8) geführten
Fluid im an den Außensteg
(11) angrenzenden Bereich der GDL (15') ein so hoher
Widerstand entgegengesetzt wird, dass das Fluid kaum oder sogar überhaupt
nicht in der Lage ist, von dem unter hohem Druck stehenden Segment (8a)
durch den an den Außensteg
(11) angrenzenden Bereich der GDL (15') hindurch in
das unter niedrigerem Druck stehende Segment (8b) quer
zur Hauptströmung
entlang des Kanals (8) zu strömen. Zusätzlich kann in die GDL (15') im an den
Außensteg
(11) angrenzenden Bereich ein Füllmaterial eingearbeitet sein,
um die fluidische Durchlässigkeit
in diesem Bereich zusätzlich
zu verringern.
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Die
Außenstege
(11) können
unterschiedliche Breiten und geometrische Formen aufweisen und so
zusätzlich
zur Unterbindung unerwünschter Querströmungen und
zur Verhinderung fluidischer Kurzschlüsse beitragen. So können die
Außenstege (12)
z. B. rechteckig, keilförmig,
mit linear oder nichtlinear zunehmender oder abnehmender Breite
oder dergleichen ausgebildet sein, wobei auch Kombinationen dieser
geometrischen Formen in Frage kommen.
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Durch
die Unterbindung der Querströmungen
zwischen benachbarten Segmenten eines Kanals wird die bereichsweise
Unterversorgung der MEA mit Reaktionsstoffen wirkungsvoll unterbunden und
die Leistung der Brennstoffzelle erheblich verbessert.
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An
dieser Stelle sei erwähnt,
dass Querströmungen
durch die erläuterten
Maßnahmen
nicht nur reduziert, sondern auch gezielt eingestellt werden können. So
kann beispielsweise eine minimale, genau definierte Querströmung unter
einem Steg (10, 10a, 10b, 11)
hindurch eingestellt werden, um einen genau dosierten Reaktionsstofftransport
zuzulassen und/oder die Feuchteverteilung entlang der MEA-Oberfläche positiv
zu beeinflussen und so die Leistung der Brennstoffzelle zu verbessern.