DE102006043362A1

DE102006043362A1 - Wasserblockierschicht und saugendes Reservoir für PEMFC

Info

Publication number: DE102006043362A1
Application number: DE102006043362A
Authority: DE
Inventors: Jon P. Owejan; Chunxin Ji; Thomas A. Trabold; Michael Cartwright; Stephen G. Goebel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-09-19
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2026-09-16
Also published as: DE102006043362B4; US7749637B2; US20070065708A1

Abstract

Eine Brennstoffzelle umfasst eine Wasserblockierschicht, die zwischen Anodengasströmungskanälen und einem Gasdiffusionsmedium positioniert ist. Die Blockierschicht verhindert, dass Wasser sich durch die Gasdiffusionsmediumschicht ausbreiten und in die Anodenströmungskanäle eintreten kann, während zugelassen wird, dass Gas von den Strömungskanälen durch die Diffusionsmediumschicht an die Membran strömen kann. Es kann ein Wassersammelkanal um den Umfang der Gasdiffusionsmediumschicht herum vorgesehen sein, an dem blockiertes Wasser angesammelt wird und zugelassen wird, dass sich dieses beim Gefrieren der Zelle ausdehnen kann. Es kann ein poröser Kapillardocht in dem Sammelkanal vorgesehen sein, um Wasser an das Einlassende der Strömungskanäle zu saugen, wo es dazu verwendet wird, das in die Brennstoffzelle eintretende Anodengas zu befeuchten. Der Docht kann eine sich verjüngende Ausgestaltung besitzen, so dass er an dem Gaseingangsende der Strömungskanäle einen größeren Durchmesser besitzt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein eine Brennstoffzelle und insbesondere eine Brennstoffzelle, die eine Wasserblockierschicht, um zu verhindern, dass Wasser in Anodengaslieferkanäle eintritt, und einen Docht verwendet, der in einem Wassersammelkanal positioniert ist, um Wasser an ein Einlassende der Anodengaslieferkanäle zu lenken.

Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoffbrennstoffzellen als eine Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden, erzeugen.

Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), das auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt ist. Die katalytische Mischung ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement wie auch eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO).

Typischerweise werden verschiedene Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas auf, typischerweise eine Strömung aus Luft, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoff zellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.

Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Serie bipolarer Platten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel könnte der Stapel etwa 200 bipolare Platten umfassen. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite jeder MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite jeder MEA strömen kann. Die bipolaren Platten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten wie auch aus dem Stapel heraus leiten. Die bipolaren Platten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.

Wie es in der Technik gut bekannt ist, müssen die Membrane in einer Brennstoffzelle eine gewisse relative Feuchte besitzen, so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um Protonen effektiv zu leiten. Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit von den MEAs und externer Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eintreten. Ein Strömungskanal, in dem sich flüssiges Wasser angesammelt hat, besitzt einen geringeren Durchfluss als die Strömungskanäle, in denen sich kein Wasser angesammelt hat. Da die Strömungskanäle parallel angeordnet sind, kann es sein, dass das Eingangsgas nicht durch einen Kanal mit Wasseransammlung hindurch strömen kann, wodurch verhindert wird, dass das Wasser hinausgetrieben wird, und eine gestei gerte Wasseransammlung darin zugelassen wird. Diejenigen Bereiche der Membran, die infolge des blockierten Kanals kein Eingangsgas aufnehmen, erzeugen keine Elektrizität, was in einer inhomogenen Stromverteilung resultiert sowie den Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle reduziert. Eine signifikante Wasseransammlung in einer einzelnen Zelle kann in einer ernsthaften Reaktandenblockierung zu dieser Zelle resultieren und bewirken, dass die Zelle ausfällt. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe gekoppelt sind, kann, wenn eine der Brennstoffzellen ausfällt, der gesamte Brennstoffzellenstapel ausfallen.

Es ist gewöhnlich möglich, das angesammelte Wasser in den Strömungskanälen dadurch zu spülen, dass das Anodengas oder das Kathodengas durch die Strömungskanäle mit einem höheren Durchfluss getrieben wird. Jedoch existieren viele Gründe, den Wasserstoff-Brennstoff nicht als ein Spülgas zu verwenden, einschließlich einer verringerten Ökonomie, einem verringerten Systemwirkungsgrad wie auch einer erhöhten Systemkomplexität zur Behandlung erhöhter Konzentrationen von Wasserstoff in dem Abgasstrom. Aus diesen Gründen wird angestrebt, das Wasser, das sich in den anodenseitigen Strömungskanälen der Brennstoffzellen ansammelt, zumindest zu minimieren, so dass das Wasserstoffgas nicht zum Spülen der Anodenströmungskanäle verschwendet werden muss.

Eine Reduzierung von angesammeltem Wasser in den Kanälen kann auch durch Reduzierung einer Einlassbefeuchtung erreicht werden. Jedoch ist es erstrebenswert, eine gewisse relative Feuchte in den Anoden- und Kathodengasen vorzusehen, so dass die Membran in den Brennstoffzellen befeuchtet bleibt. Ein trockenes Einlassgas besitzt einen Trocknungseffekt auf die Membran, der den Ionenwiderstand erhöhen und die Langzeithaltbarkeit der Membran begrenzen könnte.

Angesammeltes Wasser in den Zellen kann auch die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle bei Betrieb in einer Umgebung reduzieren, in der die Temperatur unter 0°C geht. Das angesammelte Wasser kann in diesen Umgebungen auch zu einem mechanischen Schaden führen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle, die Teil eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem ist, offenbart, wobei die Brennstoffzelle eine Wasserblockierschicht umfasst, die zwischen Anodengasströmungskanälen und einer anodenseitigen Gasdiffusionsmediumschicht positioniert ist. Die Blockierschicht verhindert, dass flüssiges Wasser durch die Gasdiffusionsmediumschicht strömt und in die Anodenströmungskanäle eintritt, während sie zulässt, dass Gas von den Strömungskanälen durch die Diffusionsmediumschicht an die Membran strömen kann. Ein Wassersammelkanal kann um den Umfang der Gasdiffusionsmediumschicht herum vorgesehen sein, an dem blockiertes Wasser angesammelt wird und zugelassen wird, dass sich dieses beim Gefrieren der Zelle ausdehnen kann.

Ein poröser Kapillardocht kann in dem Sammelkanal vorgesehen sein, um Wasser an das Einlassende der Strömungskanäle zu saugen, wo es dazu verwendet wird, das in die Brennstoffzelle eintretende Anodengas zu befeuchten. Der Docht kann eine verjüngte Ausgestaltung besitzen, so dass er an dem Gaseingangsende der Strömungskanäle einen größeren Durchmesser besitzt. Ferner können Dochtfinger mit dem Kapillardocht gekoppelt sein, die sich in die Diffusionsmediumschicht hinein oder benachbart zu dieser erstrecken, um zu ermöglichen, dass Wasser von einem Innenbereich der Brennstoffzelle durch den Kapillardocht entfernt werden kann. Bei einer alternativen Ausführungsform wird der Wasser sammelbereich weggelassen, wenn die Wasserblockierschicht so verlängert wird, dass sie sich in enger Nähe zu Enden der Diffusionsmediumschicht und einem Dichtungselement befindet.

Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine teilweise Schnittansicht einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel, die eine Wasserblockierschicht zwischen anodenseitigen Strömungskanälen und einer Zellen-MEA verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine teilweise Schnittansicht einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel, die eine Wasserblockierschicht, wie in 1 gezeigt ist, verwendet und ferner einen Kapillardocht verwendet, der in einem Wassersammelkanal positioniert ist;
3 ist eine Seitenansicht der in 2 gezeigten Brennstoffzelle, die zeigt, dass der Kapillardocht um einen Umfang der Zelle von einem Gaseinlassverteiler zu einem Gasauslassverteiler führt;
4 ist eine Seitenansicht einer Brennstoffzelle des in 5 gezeigten Typs, die Saugfinger umfasst, die in ein Inneres der Brennstoffzelle führen, um Wasser aus der Gasdiffusi onsmediumschicht zu ziehen, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel, die eine abgewandelte Wasserblockierschicht umfasst, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Brennstoffzelle gerichtet ist, die eine Wasserblockierschicht und einen Kapillardocht umfasst, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 10, die eine Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel, beispielsweise einem Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug sein könnte. Die Brennstoffzelle 10 umfasst eine Anodenseite 12 und eine Kathodenseite 14. Zwischen der Anodenseite 12 und der Kathodenseite 14 ist eine MEA 16 positioniert, die eine Elektrolytmembran 18 mit einer Katalysatorschicht 20 an der Anodenseite 12 der Membran 18 und einer Katalysatorschicht 22 an der Kathodenseite 14 der Membran 18 umfasst. Eine anodenseitige Gasdiffusionsmediumschicht 26 ist benachbart der MEA 16 an der Anodenseite 12 positioniert, und eine anodenseitige bipolare Platte 28 ist an einer der MEA 16 entgegengesetzten Seite der Gasdiffusionsmediumschicht 26 positioniert. Die anodenseitige bipolare Platte 28 umfasst eine Serie von Anodenströmungskanälen 30, durch die ein Anodeneingangsgas, insbesondere Wasserstoff, in die Brennstoffzelle 10 strömt, um mit der Katalysatorschicht 20 zu reagieren. Die Gasdiffusionsmediumschicht 26 ist eine poröse Schicht, die für einen Eingangsgastransport zu und einen Wassertransport von der MEA 16 sorgt. Ein Dichtungselement 34 dichtet die Membran 18 an der bipolaren Platte 28 ab.
Die Kathodenseite 14 der Brennstoffzelle 10 umfasst auch eine kathodenseitige Gasdiffusionsmediumschicht und eine kathodenseitige bipolare Platte, die Kathodengasströmungskanäle umfasst, wie es für Fachleute gut bekannt ist. Zusätzlich ist eine entgegengesetzte Seite der bipolaren Platte 28 die Kathodenseite, die Kathodenströmungskanäle für eine der Brennstoffzelle 10 in dem Brennstoffzellenstapel benachbarte Brennstoffzelle umfasst.
Gemäß der Erfindung ist zwischen der bipolaren Platte 28 und der Gasdiffusionsmediumschicht 26 eine Wasserblockierschicht 40 positioniert. Die Wasserblockierschicht 40 verhindert, dass flüssiges Wasser, das von der MEA 16 durch die Gasdiffusionsmediumschicht 28 strömt, in die Anodenströmungskanäle 30 eintritt, wodurch eine Ansammlung von Wasser darin verhindert wird, sowie vermieden wird, dass die Kanäle 30 blockiert werden. Die Blockerschicht 40 ist eine dünne und flexible Schicht, ist geeignet porös, so dass sie einen Wasserstofftransport nicht behindert, ist hydrophob, so dass flüssiges Wasser nicht hindurch gelangen kann und ist elektrisch wie auch thermisch leitend, so dass keine signifikante Erhöhung des Zellenwiderstandes oder von Temperaturgradienten relativ zu der Katalysatorschicht 20 an der MEA 16 bewirkt wird. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel besteht die Wasserblockierschicht 40 aus kommerziell erhältlichen Carbel MP30Z und besitzt eine Dicke von etwa 50 Mikrometer.
Die Wasserblockierschicht 40 sorgt dafür, dass eine Diffusion der dominante Transportmechanismus von den Kanälen 30 zu der Gasdiffusionsmediumschicht 26 ist, indem eine in der Ebene stattfindende Umgehung von Reaktandengas durch die Diffusionsmediumschicht 26 hindurch vermieden wird. Durch Vermeiden des in der Ebene erfolgenden Transports durch die Gasdiffusionsmediumschicht 26 ist die Gasgeschwindigkeit in den Strömungskanälen 30 erhöht, insbesondere für das serpentinenartige Strömungsfeld, bei dem die Tendenz besteht, dass das Kanalmuster eine Reaktandengasströmung durch die Diffusionsmediumschicht 26 treibt, wodurch ein Wassermanagement in der Brennstoffzelle 10 weiter unterstützt wird. Dies mindert den Einfluss einer Variation der in der Ebene vorliegenden Permeabilitätscharakteristiken des Diffusionsmediums.
Zusätzlich umfasst die Brennstoffzelle 10 einen Wassersammelkanal 42, der um den Umfang der Gasdiffusionsmediumschicht 26 herum führt. Das Dichtungselement 34 ist so angeordnet, um einen Raum jenseits der Diffusionsmediumschicht 26 beizubehalten, und definiert den Kanal 42. Der Kanal 42 sieht einen Bereich vor, an dem sich das Wasser, das durch die Mediumschicht 26 diffundiert, ansammeln kann und sich dann ausdehnen kann, wenn sich die Brennstoffzelle 10 in einer Umgebung befindet, in der sie gefrieren kann. Es hat sich herausgestellt, dass die Haltbarkeit der Brennstoffzelle und der Start der Brennstoffzelle unter Frosttemperaturen durch angesammeltes Wasser in den Strömungskanälen 30 während des Gefrierens stark beeinträchtigt sind. Jedoch besitzt teilweise angesammeltes Wasser in der Gasdiffusionsmediumschicht 26 und in dem Kanal 42 eine begrenzte Wirkung auf den Start der Brennstoffzelle 10.
Ein Speichern von flüssigem Wasser in den Kanälen 42 und somit teilweise in der Gasdiffusionsmediumschicht 26 würde auch für eine robustere Zellenleistungsfähigkeit und -haltbarkeit sorgen, indem verhindert wird, dass die MEA 16 bei Übergängen austrocknet und wenn die Einlassbetriebsbedingungen nicht richtig gesteuert werden können. Der Wasserpuffer unterstützt die Zellenleistungsfähigkeit durch die Diffusion von überschüssigem Wasser von der Gasdiffusionsmediumschicht 26 zu der MEA 16, wodurch eine hohe Protonenleitfähigkeit in der MEA 16 beibehalten wird. Die Blockierschicht 40 verringert auch eine Schrumpfspannung in der MEA 16, was die Lebensdauer der Membran 18 verlängern könnte.
2 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 48 ähnlich der Brennstoffzelle 10, bei der gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. 3 ist eine Seitenansicht der Brennstoffzelle 48, bei der die bipolare Platte 28 und die Blockierschicht 40 entfernt worden sind. Bei dieser Ausführungsform ist ein poröser Kapillardocht 50 in dem Kanal 42 positioniert, der vollständig um den Umfang der Gasdiffusionsmediumschicht 26 führt. Das Wasserstoffgas tritt in die Strömungskanäle 30 von einem Einlassverteiler 52 ein, und das verbleibende Anodengas, das nicht von der Brennstoffzelle 48 verbraucht wird, wird von der Brennstoffzelle 48 durch einen Auslassverteiler 54 ausgegeben. Wie es in der Technik bekannt ist, ist, wenn ein Anodeneingangsgas, das nicht stark befeuchtet ist, von dem Einlassverteiler 52 in die Kanäle 30 eintritt, es relativ trocken und wirkt somit dahingehend, die Membran 18 an der Einlassseite der Brennstoffzelle 48 auszutrocknen. Wenn sich das Anodengas durch die Strömungskanäle 30 zu dem Auslassverteiler 54 ausbreitet, sammelt es Feuchtigkeit, wodurch seine relative Feuchte (RH) erhöht wird, was hilft, die Membran 18 befeuchtet zu halten. Somit ist es erstrebenswert, die relative Feuchte des Anodeneingangsgases zu erhöhen, um die Membran 18 an dem Einlassende der Strömungskanäle 30 befeuchtet zu halten.
Der Kapillardocht 50 und das Dichtungselement 34 sind so ausgestaltet, dass das Anodeneinlassgas von dem Einlassverteiler 52 durch den Docht 50 strömt und Wasser davon aufnimmt, um seine Befeuchtung zu steigern. Jedoch wird verhindert, dass das Anodenabgas, das die Strömungskanäle 30 in den Auslassverteiler 54 verlässt, mit dem Docht 50 in Kontakt tritt. Daher erfolgt ein Austrocknen des Dochts 50 an der Einlassseite des Dochts 50 relativ zu der Auslassseite des Dochts 50, was eine Kapillarströmung durch den Docht 50 zu dem Einlassende vorsieht. Das Material des Dochtes 50 kann ein beliebiges Material sein, das für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist, wie eine Polymerfaser oder ein Mikrofasermaterial.
Wie es offensichtlich ist, besitzt der Docht 50 einen größeren Durchmesser benachbart des Einlassverteilers 52 als der Dochtdurchmesser an dem Auslassverteiler 54. Diese Differenz im Durchmesser des Dochtes 50 sorgt für eine vergrößerte Strömungsfläche, um die erhöhte Wasserströmung zu dem Einlassverteiler 52 aufzunehmen. Der Docht 50 kann eine kontinuierliche Länge oder separate Anteile darstellen, die miteinander gekoppelt sind.
4 ist eine Seitenansicht einer Brennstoffzelle 60 ähnlich der Brennstoffzelle 38, bei der gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind Saugfinger 62 mit dem Docht 50 gekoppelt, die in die Brennstoffzelle 60 führen. Die Saugfinger 62 befinden sich rechtwinklig zu der Strömungsrichtung der Strömungskanäle 30 und sind entweder benachbart zu oder innerhalb der Gasdiffusionsmediumschicht 26 positioniert, wie in 4 nicht gezeigt ist. Die Saugfinger 62 steigern die Strömung von Wasser von der Gasdiffusionsmediumschicht 26 zu dem Docht 50, so dass Wasser leichter davon ent fernt wird. Zusätzlich können Saugfinger 64 in Kombination mit dem Docht 50 vorgesehen sein, die sich in einer zu den Strömungskanälen 30 parallelen Richtung erstrecken.
5 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 70 ähnlich den Brennstoffzellen 10 und 48, die oben beschrieben sind, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Bei dieser Ausführungsform ist die Blockierschicht 40 durch eine Blockierschicht 72 ersetzt, die in engerem Kontakt mit dem Dichtungselement 34 und der Gasdiffusionsmediumschicht 26 steht. Es wird kein Wasser von der Anodenseite 12 der Brennstoffzelle 70 entfernt, sondern wird von der Kathodenseite 14 entfernt, an der eine erhöhte Strömung verwendet werden kann, um überschüssiges Wasser zu entfernen, ohne Brennstoff an den Austrag zu verschwenden, wie es erforderlich wäre, um überschüssiges Wasser von der Anodenseite 12 zu spülen. Bei dieser Ausgestaltung erreicht eine Wasseransammlung in der Anodenseite 12 einen stabilen Zustand, sobald ihr Partialdruck äquivalent zu der Kathodenseite 14 ist. Dieses Wasser kann dann entfernt werden, indem der Flüssigwasserpartialdruck in der Kathodenseite 14 verringert wird. Dies erzeugt einen Konzentrationsgradienten über die MEA 16, der die Antriebskraft dafür darstellt, angesammeltes Wasser von der Anodenseite 12 zu der Kathodenseite 14 zu entfernen. Dies verhindert die Ansammlung von Wasser an der Anodenseite 12 der Brennstoffzelle 70, was die Gefahr eines Gefrierens von Wasser an der Anodenseite 12 und eines Schadens der Brennstoffzelle 70 beseitigt.
Die Beschreibung oben handelt nur von der Bereitstellung einer Wasserblockierschicht und eines Dochtes an der Anodenseite 12 der Brennstoffzelle 10. Jedoch sei für Fachleute angemerkt, dass zwischen der Gasdiffusionsmediumschicht und den Kathodengasströmungskanälen an der Kathodenseite 14 der Brennstoffzelle 10 eine Wasserblockierschicht vorge sehen sein kann. Da Luft leicht verfügbar ist, um das Wasser aus den Kathodenströmungskanälen zu spülen, ist es typischerweise nicht so kritisch, zu verhindern, dass Wasser in die Kathodenströmungskanäle eintritt.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute werden leicht aus einer derartigen Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Brennstoffzelle mit: einer Membranelektrodenanordnung (MEA); einer bipolaren Platte, die Gasströmungskanäle enthält; und einer Wasserblockierschicht, die zwischen den Gasströmungskanälen und der MEA positioniert ist, wobei die Wasserblockierschicht verhindert, dass Wasser in die Gasströmungskanäle eintreten kann, und zulässt, dass sich Gas von den Strömungskanälen durch die Blockierschicht an die MEA ausbreiten kann.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, ferner mit einer Diffusionsmediumschicht, die zwischen der Wasserblockierschicht und der MEA positioniert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, ferner mit einem Wassersammelkanal zum Sammeln von Wasser, das durch die Blockierschicht blockiert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3, ferner mit einem Dichtungselement zum Abdichten der Gasströmungskanäle, wobei der Wassersammelkanal zwischen dem Dichtungselement und einer Diffusionsmediumschicht positioniert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 4, ferner mit einem länglichen Docht, der durch den Wassersammelkanal führt, wobei der Docht Wasser in dem Sammelkanal wegsaugt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei das Gas durch den Docht an einem Einlassende der Strömungskanäle strömt, und verhindert wird, dass es mit dem Docht an einem Auslassende der Strömungskanäle in Kontakt tritt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei ein Durchmesser des Dochtes so verjüngt ist, dass der Docht an einem Einlassende der Strömungskanäle einen größeren Durchmesser besitzt und an einem Auslassende der Strömungskanäle einen geringeren Durchmesser besitzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei der Docht Dochtfinger umfasst, die in die oder benachbart zu der Gasdiffusionsmediumschicht verlaufen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die Dochtfinger rechtwinklig zu den Strömungskanälen oder parallel zu den Strömungskanälen verlaufen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, ferner mit einem Dichtungselement, wobei ein Rand der Wasserblockierschicht zwischen einem Rand der Gasdiffusionsmediumschicht und dem Dichtungselement verläuft und benachbart der MEA positioniert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Wasserblockierschicht Carbel MP30Z ist und eine Dicke von etwa 50 Mikrometer besitzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle Teil eines Brennstoffzellenstapels an einem Fahrzeug ist.
Brennstoffzelle mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite, wobei die Brennstoffzelle umfasst: eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite der Brennstoffzelle positioniert ist; eine bipolare Platte, die an der Anodenseite der Brennstoffzelle positioniert ist, wobei die bipolare Platte Anodengasströmungskanäle umfasst; eine Gasdiffusionsmediumschicht, die an der Anodenseite der Brennstoffzelle benachbart der MEA positioniert ist; und eine Wasserblockierschicht, die zwischen den Anodenströmungskanälen und der Diffusionsmediumschicht positioniert ist, wobei die Wasserblockierschicht verhindert, dass Wasser von der Gasdiffusionsmediumschicht in die Anodenströmungskanäle eintreten kann, und zulässt, dass sich Gas von den Strömungskanälen durch die Blockierschicht und in die Diffusionsmediumschicht ausbreiten kann.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, ferner mit einem Wassersammelkanal, der um den Umfang der Gasdiffusionsmediumschicht verläuft, wobei der Wassersammelkanal Wasser sammelt, das von der Blockierschicht blockiert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, ferner mit einem Dichtungselement zum Abdichten der Anodenströmungskanäle, wobei der Wassersammelkanal zwischen dem Dichtungselement und der Diffusionsmediumschicht positioniert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, ferner mit einem länglichen Docht, der sich durch den Wassersammelkanal erstreckt, wobei der Docht Wasser in dem Sammelkanal wegsaugt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei das Anodengas durch den Docht an einem Einlassende der Strömungskanäle strömt, und verhindert wird, dass es mit dem Docht an einem Auslassende der Strömungskanäle in Kontakt tritt..
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei ein Durchmesser des Dochtes so verjüngt ist, dass der Docht an einem Einlassende der Strömungskanäle einen größeren Durchmesser besitzt und an einem Auslassende der Strömungskanäle einen kleineren Durchmesser besitzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei der Docht Dochtfinger umfasst, die sich in die oder benachbart zu der Gasdiffusionsmediumschicht erstrecken.
Brennstoffzelle nach Anspruch 19, wobei sich die Dochtfinger rechtwinklig zu den Strömungskanälen oder parallel zu den Strömungskanälen erstrecken.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, ferner mit einem Dichtungselement, wobei ein Rand der Wasserblockierschicht zwischen einem Rand der Gasdiffusionsmediumschicht und dem Dichtungselement verläuft und benachbart der MEA positioniert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei die Brennstoffzelle Teil eines Brennstoffzellenstapels an einem Fahrzeug ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei die Wasserblockierschicht Carbel MP30Z ist und eine Dicke von etwa 50 Mikrometer besitzt.
Brennstoffzelle mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite, wobei die Brennstoffzelle umfasst: eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite der Brennstoffzelle positioniert ist; eine bipolare Platte, die an der Anodenseite der Brennstoffzelle positioniert ist, wobei die bipolare Platte Anodengasströmungskanäle umfasst; eine Gasdiffusionsmediumschicht, die an der Anodenseite der Brennstoffzelle benachbart der MEA positioniert ist; eine Wasserblockierschicht, die zwischen den Anodenströmungskanälen und der Diffusionsmediumschicht positioniert ist, wobei die Wasserblockierschicht verhindert, dass Wasser von der Gasdiffusionsmediumschicht in die Anodenströmungskanäle eintreten kann, und zulässt, dass Gas von den Strömungskanälen sich durch die Blockierschicht und in die Diffusionsmediumschicht ausbreiten kann; einen Wassersammelkanal, der um den Umfang der Gasdiffusionsmediumschicht verläuft, wobei der Wassersammelkanal Wasser ansammelt, das von der Blockierschicht blockiert ist; und einen länglichen Docht, der durch den Wassersammelkanal verläuft, wobei der Docht Wasser in dem Sammelkanal wegsaugt, wobei das Anodengas durch den Docht an einem Einlassende der Strömungskanäle strömt, und verhindert wird, dass es mit dem Docht an einem Auslassende der Strömungskanäle in Kontakt tritt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 24, wobei ein Durchmesser des Dochtes so verjüngt ist, dass der Docht an dem Einlassende der Strömungskanäle einen größeren Durchmesser besitzt und an dem Auslassende der Strömungskanäle einen kleineren Durchmesser besitzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 24, wobei der Docht Dochtfinger umfasst, die sich in die oder benachbart zu der Gasdiffusionsmediumschicht erstrecken.
Brennstoffzelle nach Anspruch 26, wobei sich die Dochtfinger rechtwinklig zu den Strömungskanälen oder parallel zu den Strömungskanälen erstrecken.