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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 15, wie sie beispielsweise aus der
US 2006/0008695 A1 bekannt geworden ist.
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Bei vielen Brennstoffzellensystemen wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas durch einen Strömungspfad an die Anodenseite einer Brennstoffzelle geliefert, während Sauerstoff (wie in der Form von atmosphärischem Sauerstoff) durch einen separaten Strömungspfad an die Kathodenseite der Brennstoffzelle geliefert wird. Ein geeigneter Katalysator (beispielsweise Platin) ionisiert den Wasserstoff in ein Proton und Elektron an der Anodenseite, so dass bei einer anschließenden Kombination des Protons mit Sauerstoff und den Elektronen an der Kathodenseite elektrischer Strom mit Hochtemperaturwasserdampf als einem Reaktionsnebenprodukt erzeugt wird.
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Bei einer Form einer Brennstoffzelle, die als die Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle bezeichnet ist, ist ein Elektrolyt in der Form einer Membran schichtartig zwischen zwei Elektrodenplatten (typischerweise in der Form eines porösen Diffusionsmediums) angeordnet, die die Anode und die Kathode bilden. Dieser schichtartige Aufbau wird allgemein als eine Membranelektrodenanordnung (MEA) bezeichnet und bildet eine einzelne Brennstoffzelle. Viele derartige einzelne Zellen können kombiniert werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, wodurch dessen Leistungsabgabe erhöht wird. Während die vorliegende Erfindung insbesondere auf die PEM-Brennstoffzelle anwendbar ist, sei für Fachleute angemerkt, dass die Verwendung anderer Brennstoffzellenkonfigurationen mit der vorliegenden Erfindung ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung liegt.
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Brennstoffzellen, insbesondere PEM-Brennstoffzellen, erfordern ausgeglichene Wasserniveaus, um einen richtigen Betrieb sicherzustellen. Beispielsweise ist es wichtig, zu viel Wasser in der Brennstoffzelle zu vermeiden, was in dem Fluten oder einer damit in Verbindung stehenden Blockierung von Strömungsfeldkanälen resultieren kann, wodurch die Strömung von Reaktanden behindert wird. Im Gegensatz dazu begrenzt eine zu geringe Hydratation die elektrische Leitfähigkeit der Membran und kann zu einem vorzeitigen Zellenausfall führen. Die Schwierigkeit der Beibehaltung eines Gleichgewichtes des Wasserniveaus wird dadurch verschlimmert, dass zahlreiche in Konflikt stehende Reaktionen in einer Brennstoffzelle stattfinden, die lokale und globale Hydratisierungsniveaus gleichzeitig erhöhen und verringern. Zusätzlich zu dem oben erwähnten Fluten kann Wasser von der Anode in die Kathode durch ionisierte Protonen, die sich von der Anode wegbewegen, mitgeschleppt werden. Dieses Phänomen, das als elektroosmotisches Verschleppen bekannt ist, trägt signifikant zu der Entfernung von Wassermolekülen von der Anode bei. Andere Mechanismen können ebenfalls vorherrschen, einschließlich einer Diffusion von Wassermolekülen von der Kathode zu der Anode über die Membran aufgrund von Druckdifferenzen.
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Ferner treten viele dieser Effekte lokal auf, so dass sogar, wenn globale Hydratisierungsniveaus in der Brennstoffzelle beibehalten werden, keine Garantie besteht, dass ein lokales Wassergleichgewicht aufrechterhalten wird. Ein potenzielles Verfahren zum Sicherstellen von angemessenen Hydratisierungsnvieaus über die Brennstoffzelle hinweg umfasst, dass einer oder beide der Reaktanden befeuchtet werden, bevor sie in die Brennstoffzelle eintreten. Beispielsweise kann das an der Kathode erzeugte Wasser mit geeigneten Befeuchtungsvorrichtungen verwendet werden, um die Möglichkeit einer Dehydratation der Anode oder Membran zu reduzieren. Diese Befeuchtungsvorrichtungen können entweder externe Versorgungsmittel (beispielsweise ein separates Wasserreservoir) oder Selbstversorgungsmittel betreffen, wie eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung, die die Feuchte von einem feuchten Brennstoffzellenaustragsströmungspfad entnimmt und diese in einen Reaktandenzufuhrpfad bringt.
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Unglücklicherweise erfordert die Verwendung von Befeuchtungsvorrichtungen (und ihrer unterstützenden Steuersysteme) zusätzliches Gewicht, zusätzliche Größe und zusätzliche Komplexität des Brennstoffzellensystems wie auch Reduzierungen des Brennstoffzellenausgangs oder -wirkungsgrads in Situationen, bei denen derartige Baugruppen eine Leistungsquelle zum Betrieb erfordern. Derartige Nachteile sind insbesondere für fahrzeugbasierte Brennstoffzellenanwendungen problematisch, da die oftmals redundanten Baugruppen wertvollen Fahrzeugraum aufnehmen würden, der ansonsten für Fahrgast-, Komfort- oder Sicherheitsmerkmale verwendet würde.
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Demgemäß besteht ein Bedarf nach einer integrierten Vorgehensweise zur Hydratation einer Brennstoffzelle, um die Kosten, die Komplexität oder Betriebsfähigkeit in Verbindung mit herkömmlichen Vorgehensweisen zu vermeiden.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dieser Bedarf wird von einer Brennstoffzellenanordnung erfüllt, die die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 15 aufweist. In dem vorliegenden Kontext kann der Begriff ”Brennstoffzelle” eine einzelne Zelle für die elektrochemische Umwandlung eines Oxidationsmittels und eines Reduktionsmittels in Elektrizität oder zahlreiche derartige Zellen in einem Stapel oder einer verwandten Konfiguration, um eine Serienschaltung der Zellen und eine begleitende Erhöhung der Spannungsabgabe zu ermöglichen, betreffen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brennstoffzellenanordnung zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode, Reaktandenströmungspfaden und einer Wassertransporteinheit, die benachbart eines Abschnittes von einem der Strömungspfade angeordnet ist, um einen Austausch von Feuchtigkeit zwischen diesen zuzulassen. Ein Abschnitt der Strömungspfade steht in Fluidverbindung mit der Anode, während ein anderer Abschnitt in Fluidverbindung mit der Kathode steht. Zumindest einer der Strömungspfade definiert ein aktives Gebiet und ein inaktives Gebiet, wobei das erste allgemein einem Ort an der Anode oder Kathode entspricht, an dem eine elektrochemische Reaktion von einem oder beiden der Reaktanden (wie Sauerstoff und Wasserstoff von den Fluiden) stattfindet, während das zweite eines ist, an dem wenig oder gar keine elektrochemische Reaktion stattfindet. Ein Weg, um zwischen den aktiven und inaktiven Gebiete zu unterscheiden, ist der Einschluss eines Katalysators an dem ersteren, jedoch nicht an dem letzteren. Die Wassertransporteinheit wird in dem inaktiven Gebiet verwendet, um Wasser von feuchtigkeitsreichen Brennstoffzellenströmungspfaden zu entnehmen und dieses (typischerweise in Dampfform) in einen eine geringe Feuchtigkeit (oder keine Feuchtigkeit) aufweisenden Brennstoffzellenströmungspfad wieder einzuführen. Die Vorrichtung umfasst einen feuchtigkeitsspendenden Fluidkanal, der von einem feuchtigkeitsaufnehmenden Fluidkanal getrennt ist. Der erste von diesen steht in Fluidverbindung mit zumindest einem feuchtigkeitsreichen Strömungspfad, während der zweite in Fluidverbindung mit einem Abschnitt der Brennstoffzelle, der eine Befeuchtung erfordert, steht. In dem vorliegenden Kontext ist ein feuchtigkeitsreicher Strömungspfad einer, der einen Überschuss an Feuchtigkeit in der Form von Flüssigkeit, Dampf oder einer Kombination der beiden enthält. Der feuchtigkeitsaufnehmende Fluidkanal wirkt mit dem feuchtigkeitsspendenden Fluidkanal zusammen, so dass bei Durchgang eines feuchtigkeitsspendenden Fluides durch den letzteren zumindest ein Teil des darin enthaltenen Wassers an den ersteren und an den Abschnitt der Brennstoffzelle, die die Befeuchtung erfordert, gelangt. Der feuchtigkeitsspendende Fluidkanal und der feuchtigkeitsaufnehmende Fluidkanal sind durch eine feuchtigkeitspermeable Membran getrennt, wobei zumindest eine Seite der feuchtigkeitspermeablen Membran mit einem hydrophilen Diffusionsmedium bedeckt ist. Dies erlaubt, dass das Medium als ein Docht wirkt, um flüssiges Wasser von dem geeigneten Anoden- oder Kathodenströmungspfad zu ziehen, was hilft, die Strömungspfade frei von Flüssigwasseraufbau zu halten. Zusätzlich erzeugt dies einen Wasserpuffer, der bei Betriebsübergangen nützlich sein kann.
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Optional kann das aktive Gebiet ein wesentliches Zentrum der zumindest einen Brennstoffzelle definieren. Bei einer Form kann das aktive Gebiet durch getrennte inaktive Gebiete umgeben sein, während bei anderen dieses von dem inaktiven Gebiet durch eine Stationslinie getrennt sein kann. In jedem Fall ist es die Verwendung eines Elektrolyten in der MEA, der das aktive Gebiet von dem inaktiven Gebiet trennt, da das letztere bevorzugt nur ein hydrophiles Diffusionsmedium anstelle des Elektrolyten aufweist. Ferner stehen der Anodenströmungspfad und der Kathodenströmungspfad in einer im Wesentlichen gegenstromigen Beziehung zueinander. Zusätzlich weist die Anordnung ferner Strömungssammelleitungen auf, die an entgegengesetzten Enden der Vielzahl von Strömungspfaden angeordnet sind. Bei einer Form definieren die Sammelleitungen Einlass- und Auslassverteiler für Kathodenströmungspfade, Anodenströmungspfade und Kühlmittelströmungspfade, wobei der Kühlmittelströmungspfad benachbart zumindest einer der Anode und der Kathode angeordnet ist, so dass zwischen dem Kühlmittel und der benachbarten Anode ein Wärmeaustausch stattfindet. Der feuchtigkeitsspendende Fluidkanal und der feuchtigkeitsaufnehmende Fluidkanal können in einer im Wesentlichen gegenstromigen Beziehung zueinander angeordnet sein, um eine Feuchtigkeitsübertragung zu maximieren. Der feuchtigkeitsspendende Fluidkanal und der feuchtigkeitsaufnehmende Fluidkanal sind bevorzugt in einer Dünnfilmform vorgesehen, so dass sie die Dicke der Brennstoffzelle nicht merklich erhöhen. Beispielsweise kann die Dünnfilmform einem dichtungsartigen Aufbau ähneln, der zwischen den Anoden- und Kathodenschichten angeordnet ist. Auf diese Weise ähnelt die Dünnfilmform der Wassertransporteinheit einem ”Sandwich-” oder laminierten Aufbau. Ungeachtet der Konfiguration unterstützt die hydrophile Beschaffenheit der Konfiguration die Kapillarwirkung von Feuchtigkeit von der feuchtigkeitsspendenden Filmschicht zu der feuchtigkeitsaufnehmenden Filmschicht.
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Bei einer anderen Option ist der feuchtigkeitsspendende Fluidkanal fluidmäßig mit den Kathodenströmungspfaden gekoppelt. Dies erlaubt, dass ein Austragsfluid, das an der Kathode erzeugt wird, durch den feuchtigkeitsspendenden Fluidkanal strömt, wobei es zumindest einen Anteil seines Wassers abgibt. Diese Ausführungsform kann insbesondere in einem Brennstoffzellensystem nützlich sein, bei dem die Anodenströmung in einem einzelnen Durchgang erfolgt (d. h. keine Anodenrezirkulation aufweist). Bei einer spezielleren Option ist der feuchtigkeitsaufnehmende Fluidkanal fluidmäßig mit den Anodenströmungspfaden gekoppelt. Somit kann bei Aufnahme von Wasser von dem feuchtigkeitsspendenden Fluidkanal der feuchtigkeitsaufnehmende Fluidkanal dieses Wasser an das wasserstoffführende Fluid fördern, das seinerseits an die Anode gefördert werden kann. Bei einer noch weiteren Option kann ein Fahrzeug die Brennstoffzellenanordnung aufweisen, die als eine Quelle für Antriebsleistung für das Fahrzeug dient. Beispiele derartiger Fahrzeuge umfassen (sind jedoch nicht darauf beschränkt) Autos, Lastwägen, Busse, Flugzeuge, Wasserfahrzeuge, Raumfahrzeuge und Motorräder.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine Brennstoffzellenanordnung offenbart, die eine Platte mit einem Reaktandenströmungspfad, der in einer Fläche der Platte ausgebildet ist, einen Rahmen, der den Strömungspfad im Wesentlichen umgibt, eine oder mehrere Strömungssammelleitungen, die zwischen dem Rahmen und dem Strömungspfad angeordnet sind, und eine Wassertransporteinheit umfasst. Der Reaktandenströmungspfad umfasst aktive und inaktive Gebiete ähnlich denen, die in dem vorhergehenden Aspekt beschrieben sind. Die Strömungssammelleitung ist zwischen dem Rahmen und dem Reaktandenströmungspfad angeordnet und befindet sich benachbart des inaktiven Gebietes, so dass Feuchtigkeit in einem an das andere ausgetauscht werden kann. Die Wassertransporteinheit ist ähnlich der, die vorher beschrieben wurde, so dass ein oder mehrere Abschnitte einer Brennstoffzelle, die eine Befeuchtung erfordern, diese erhalten können.
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Optional ist die Platte aus zahlreichen Platten aufgebaut, die aneinander befestigt sind und zumindest eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte aufweisen. Bei einer bevorzugten Form bilden die Anoden- und Kathodenplatten eine Bipolarplatte. Die Platte kann auch zumindest einen Kühlströmungspfad aufweisen, um eine Übertragung von Wärme zu oder von der Platte zu unterstützen. Bei einer anderen Option ist die Wassertransporteinheit zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, so dass sie zusammen einen im Wesentlichen laminierten Aufbau definieren. In dem vorliegenden Kontext betrifft der Begriff ”laminiert” lediglich den allgemein ”sandwich”-artigen Aufbau zwischen der Wassertransporteinheit und den Elektroden, zwischen denen dieser angeordnet ist; er soll jedoch nicht implizieren, dass herkömmliche Laminatverbinde- oder Klebstoffvorgehensweisen erforderlich sind, um die Kontinuität eines derartigen Aufbaus sicherzustellen. Anhand einer weiteren Option kann die Wassertransporteinheit so dimensioniert sein, dass sie als eine Dichtung wirkt, wenn sie in dem Rahmen angeordnet ist. Auf diese Weise ist die Vorrichtung ein einer dünnen Platte ähnliches Element, das zwischen den verschiedenen Anoden oder Kathoden schichtartig angeordnet sein kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die folgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Anordnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und in welchen:
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1 ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems zeigt, das für eine Fahrzeuganwendung konfiguriert ist;
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2 eine Draufsicht einer Kathodenseite einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle mit einer integrierten Wasserdampfübertragungseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine alternative Ausführungsform der Bipolarplatte von 2 zeigt;
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3A eine Schnittansicht in dem aktiven Gebiet der Bipolarplatte von 3 zeigt;
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3B eine Schnittansicht in dem inaktiven Gebiet der Bipolarplatte von 3 zeigt;
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4A ein Flussdiagramm des Zusammenwirkens zwischen der Wasserdampfübertragungseinheit und zumindest einem der Reaktandenströmungspfade in der Brennstoffzelle von 2 zeigt;
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4B die Wasserdampfübertragungseinheit von 4A detaillierter zeigt; und
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5 ein Fahrzeug zeigt, das das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung verwendet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Anfänglich Bezug nehmend auf die 1 und 5 hebt ein Blockdiagramm die Hauptkomponenten eines mobilen Brennstoffzellensystems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung (1) wie auch eine repräsentative Anordnung eines Brennstoffzellensystems in einer Kraftfahrzeuganwendung (5) hervor. Insbesondere Bezug nehmend auf 1 umfasst das System 1 ein Reaktandenliefersystem 100 (bestehend aus einer Brennstoffquelle 100A, einer Sauerstoffquelle 100B und einem oder mehreren Kompressoren 100C), ein Brennstoffverarbeitungssystem 200, eine Brennstoffzelle 300, eine oder mehrere Energiespeichervorrichtungen 400, einen Antriebsstrang 500 und eine oder mehrere Vortriebsvorrichtungen 600, die fiktiv als ein Rad gezeigt sind. Die Brennstoffzelle 300 umfasst eine Anode 310, eine Kathode 330 und eine Elektrolytschicht 320, die zwischen der Anode 310 und der Kathode 330 angeordnet ist. Für den Fachmann sei angemerkt, dass nicht jedes System einen Kompressor erfordern muss. Beispielsweise können bei Konfigurationen, bei denen eine oder beide der Brennstoff- oder Sauerstoffquellen 100A, 100B über einen druckbeaufschlagten Tank oder verwandten Behälter bereitgestellt werden, derartige Kompressoren weggelassen werden. Während das vorliegende System 1 für mobile (wie Fahrzeug-)Anwendungen gezeigt ist, sei für den Fachmann angemerkt, dass die Verwendung der Brennstoffzelle 300 und ihrer Zusatzausstattung gleichermaßen auf stationäre Anwendungen anwendbar ist. Obwohl in 1 nur eine einzelne Brennstoffzelle 300 gezeigt ist, sei für den Fachmann angemerkt, dass das Brennstoffzellensystem 1 aus einem Stapel derartiger Zellen, die in Reihe verschaltet sind, bestehen kann. Insbesondere Bezug nehmend auf 5 ist die Verwendung eines derartigen Stapels 3000 besonders relevant für Fahrzeug- und verwandte Anwendungen.
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Das Brennstoffverarbeitungssystem 200 kann integriert sein, um einen rohen Brennstoff, wie Methanol, in Wasserstoff oder wasserstoffreichen Brennstoff zur Verwendung in der Brennstoffzelle 300 umzuwandeln; ansonsten ist bei Konfigurationen, bei denen die Brennstoffquelle 100A bereits im Wesentlichen reinen Wasserstoff liefert, das Brennstoffverarbeitungssystem 200 nicht erforderlich. Die Energiespeichervorrichtungen 400 können in der Form von einer oder mehreren Batterien, Kondensatoren, elektrischen Wandlern oder sogar einem Motor vorgesehen sein, um den von der Brennstoffzelle 300 stammenden elektrischen Strom in mechanische Leistung, wie Rotationswellenleistung umzuwandeln, die dazu verwendet werden kann, den Antriebsstrang 500 und eine oder mehrere Vortriebsvorrichtungen 600 zu betreiben.
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Insbesondere Bezug nehmend auf 2 sind verschiedene Merkmale einer Kathodenseite einer Bipolarplatte (auch einfach als ”Platte” bezeichnet) 301 mit einer Teilansicht der verschiedenen Strömungskanäle, die den Strömungspfad 305, der darin ausgebildet ist, bilden, gezeigt. Die vorliegende Ansicht zeigt die Seite der Bipolarplatte 301, die zu der Kathode 330 (derzeit nicht gezeigt) weist, obwohl angemerkt sei, dass die entgegengesetzte Seite der Platte 301 gleichermaßen auf die Beschreibung, wie die vorliegende Erfindung arbeitet, anwendbar ist. In dem vorliegenden Kontext wird der Begriff ”Strömungskanal” allgemein dazu verwendet, die verschiedenen Formen von Strömungskanälen zu umschließen, die den Strömungspfad 305 bilden, einschließlich der Anodenströmungskanäle 305A, der Kathodenströmungskanäle 305B und der optionalen Kühlmittelströmungskanäle 305C. Beispielsweise ist eine Teilansicht der Kathodenströmungskanäle 305B gezeigt. Bei einer zusammengebauten Brennstoffzelle sind die einzelnen MEAs (nicht gezeigt) an der Bipolarplatte 301 überlagert, so dass die Strömungskanäle, die zwischen der Platte 301 und dem jeweiligen Anoden- oder Kathodendiffusionsmedium gebildet werden, die Strömung eines entsprechenden Reaktanden erleichtern. Für den Fachmann sei angemerkt, dass, obwohl die Strömungspfaddetails der Platte 301 für die Kathodenseite einer ansonsten herkömmlichen Brennstoffzelle gelten, eine derartige Konfiguration gleichermaßen auf eine Anode (derzeit nicht gezeigt) anwendbar wäre. Für den Fachmann sei angemerkt, dass das Diffusionsmedium der Kathode 330 mit einer Fläche der Platte 310 zusammenpasst, während das Diffusionsmedium der Anode 310 mit der anderen entgegengesetzten Fläche zusammenpasst. Ein Rahmen 302 wird dazu verwendet, die Außengrenzen der Platte 301 zu definieren und kann eine nach oben stehende Lippe oder einen nach oben stehenden Flansch aufweisen, um die Plattenabdichtung, -starrheit oder dergleichen zu erhöhen. Die Strömungssammelleitungen 303, 304, die in dem Rahmen 302 ausgebildet sind, umgeben an entgegengesetzten Seitenrändern einen Strömungspfad 305, der dazwischen angeordnet ist. Die Sammelleitungen 303, 304 definieren Strömungsöffnungen darin, um eine Lieferung der geeigneten Reaktanden an ihre entsprechende Elektrode in der Bipolarplatte wie auch einen gesamten Stapel von Platten, wenn sie aneinandergestapelt sind, zu ermöglichen. Da die bevorzugte Richtung der Fluidbewegung in den Anoden- und Kathodenströmungspfaden in der Platte 301 gegenstromig erfolgt, weist die Sammelleitung 303 einen Kathodeneinlassverteiler 303B und einen Anodenauslassverteiler 303A auf. Es ist auch ein optionaler Kühlmittelverteiler 303C gezeigt. Ähnlicherweise weist die Sammelleitung 304 einen Kathodenauslassverteiler 304B und einen Anodeneinlassverteiler 304A auf. Ein Kühlmittelverteiler 304C ist fluidmäßig mit dem Kühlmittelverteiler 303C durch einen Kühlmittelströmungspfad (nicht gezeigt) gekoppelt, der von einer Sammelleitung zu der anderen führt. Ähnlicherweise verläuft ein Anodenströmungspfad (nicht gezeigt, der jedoch aus zahlreichen einzelnen Strömungskanälen aufgebaut sein kann, die nebeneinander auf eine Weise angeordnet sind, die dem Fachmann bekannt ist und ähnlich der ist, die für die Kathodenströmungskanäle 305B gezeigt ist) zwischen den beiden Anodenverteilern 303A, 304A, um einen Strömungspfad für das wasserstoffführende Fluid herzustellen.
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Der Strömungspfad 305 weist ein aktives Gebiet 306 und inaktive Gebiete (auch als die Befeuchtergebiete bezeichnet) 307 auf, die gemeinsam eine fluidmäßig kontinuierliche Leitung, Verrohrung oder verwandten Strömungskanal definieren, durch die/den der sauerstoffführende Reaktand gelangt. Es sei angemerkt, dass das aktive Gebiet 306 verschiedene Biegungen, Krümmungen oder verwandte Serpentinenmuster, die durch die einzelnen Strömungskanäle geformt sind, wie es in der Technik bekannt ist, als einen Weg enthalten kann, um eine Strömungspfadlänge und eine damit in Verbindung stehende Kontaktfläche zu erhöhen. Im vorliegenden Kontext ist das aktive Gebiet 306 derjenige Abschnitt des Strömungspfades 305, der mit einem Diffusionsmedium überdeckt würde (das seinerseits bevorzugt mit einem Katalysator überdeckt würde), so dass die elektrochemische Kombination der Reaktanden einen Elektronenfluss, Wärme und Wasserdampf erzeugt. Im Gegensatz dazu ist das inaktive Gebiet 307 derjenige Abschnitt des Strömungspfades 305, der keinen Katalysator enthält, jedoch stattdessen dazu verwendet wird, eine Wasserübertragungsfähigkeit zwischen feuchtigkeitsreichen und feuchtigkeitsarmen Strömungspfaden vorzusehen. Somit trägt das inaktive Gebiet 307, während eine kontinuierliche Strömung von Reaktanden zwischen dem aktiven Gebiet 306 und den Sammelleitungen 303, 304 sichergestellt wird, nicht zu der Erzeugung von Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion bei. Aufgrund der Bildung von Wasser als einem Nebenprodukt der Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff an der Kathode 330 wird die Kathode 330 als das ”feuchte” Ende der Brennstoffzelle 300 bezeichnet, während die Anode 310 als das ”trockene” Ende bezeichnet wird. Folglich weist das Fluid, das an dem feuchten Ende strömt, zusätzlich zu Sauerstoff einen erhöhten Feuchtigkeitsgehalt (beispielsweise in der Form von Feuchte) auf, der es zu einem feuchtigkeitsreichen Fluid macht.
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Als nächstes Bezug nehmend auf die 3, 3A und 3B ist eine alternative Konfiguration der Bipolarplatte 301 dargestellt, die zeigt, wie das inaktive Gebiet 307 des Strömungspfads 305 auf einer Seite der Zelle angeordnet werden kann, so dass es sich benachbart einer anstatt beiden der Strömungssammelleitungen 303, 304 befindet. Insbesondere Bezug nehmend auf 3 zeigt die Zeichnung einen einzelnen Kathodenströmungskanal 305B für das sauerstoffführende Fluid, der durch die Kathode 330 verläuft, wie auch eine gestrichelte Linie, um (auf der anderen Seite der Platte 301) die Strömung des wasserstoffführenden Fluides an einem einzelnen Anodenkanal 305A darzustellen, der an dem Anodeneinlass 304A in der Strömungssammelleitung 304 beginnt und zu dem Anodenauslass 303A in der Strömungssammelleitung 303 führt. Insbesondere Bezug nehmend auf die 3A und 3B, die entlang verschiedener Stationslinien von 3 gezeigt sind, zeigen die Schnittansichten, die die gestapelte Beschaffenheit der Bipolarplatte 301 und der Anode 310, der Kathode 330 und des Elektrolyten (d. h. der Membran) 320 zeigen, das Zusammenwirken der verschiedenen Strömungspfade 305A, 305B und 305C. In 3A, die dem Abschnitt der Bipolarplatte 301 entspricht, der das aktive Gebiet 306 definiert, treten elektrochemische Reaktionen zwischen der Anode 310, der Kathode 330 und dem Elektrolyt 320 auf, wie es in der Technik gut bekannt ist. 3B ist allgemein ähnlich zu 3A, mit der Ausnahme, dass aufgrund der Tatsache, dass sie dem Abschnitt der Bipolarplatte 301 entspricht, der das inaktive Gebiet 307 definiert, der Elektrolyt 320 durch eine Wassertransporteinheit 900 ersetzt ist (nachfolgend detaillierter beschrieben). In diesem Fall erfolgt die Befeuchtung über das Anodendiffusionsmedium. Dieses Medium weist eine hydrophile Schicht, Beschichtung oder Konstruktion auf, um ein Saugen oder ein anderes feuchtigkeitsförderndes Verhalten zu dem Kathodeneinlassstrom (allgemein unten beschrieben als ein feuchtigkeitsaufnehmender Fluidkanal 920) unter Verwendung von Anodenaustrag (allgemein unten beschrieben als ein feuchtigkeitsspendender Fluidkanal 910) zu unterstützen. Eine speziell bevorzugte Konfiguration würde eine Rückführschleife in dem Anodenströmungspfad enthalten, da eine derartige Rezirkulationsschleife die Feuchte des durch die Anode strömenden Fluids erhöht.
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Als nächstes Bezug nehmend auf 4A ist ein vereinfachtes Blockdiagramm gezeigt, das die Ausbildung der Wassertransporteinheit 900 in einer Brennstoffzelle 300 und ihrer Bipolarplatte 301 zeigt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorgehensweisen, bei denen eine Befeuchtungsvorrichtung entfernt von den einzelnen Zellen oder den Bipolarplatten zwischen einzelnen MEAs angeordnet würde, gibt die Nebeneinanderstellung der Wassertransporteinheit 900 und jeder Brennstoffzelle 300 und ihrer begleitenden Bipolarplatte 301 den hohen Grad an Integration und damit einhergehender Raumeinsparung an. Die vorliegende Figur zeigt die Befeuchtung eines Kathodenstromes 3300 in einem Brennstoffzellenstapel 3000. Diese Ausführungsform ist bevorzugt, wenn ein Anodenstrom 3100 unter Verwendung einer Pumpe 1000 oder einer verwandten Vorrichtung rückgeführt wird. Die höheren Durchflüsse aufgrund der Rückführung bringen mehr Wasser an die Anodenseite des inaktiven (Befeuchter-)Gebietes 307 der Platte 301, wodurch die Befeuchtung des Kathodenstromes 3300 erhöht wird. Zusätzlich reduziert eine Entfernung von flüssigem Wasser von dem Anodenstrom 3100 eine Blockierung und die damit einhergehende Möglichkeit eines Wasserstoffmangels in dem aktiven Gebiet 306 an der Anodenseite der Platte 301. Dies ist nützlich bei der Reduzierung einer Zersetzung der MEA. Um die Wasserentfernung von dem rezirkulierenden Anodenstrom 3100 zu steigern, würde ein hydrophiles Diffusionsmedium auf der Anodenseite des Befeuchtungsgebietes 307 der Platte 301 als ein Docht und Wasserpuffer wirken, wenn das Wasser in den Kathodenstrom 3300 verdampft wird.
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Bezug nehmend auf 4B ist eine Wassertransporteinheit (auch als eine Wasserdampfübertragungseinheit oder eine Wassertransporteinheit bezeichnet) 900 gezeigt, um Wasserdampf von einem Strom einer feuchtigkeitsreichen Strömung zu einem Strom einer eine geringe Feuchtigkeit aufweisenden Strömung zu fördern. Die Vorrichtung 900 weist einen feuchtigkeitsspendenden Fluidkanal 910, einen feuchtigkeitsaufnehmenden Fluidkanal 920, eine Wasserübertragungsmembran 930 mit einer ersten und zweiten Fläche 930A und 930B und ein Diffusionsmedium 940 auf. Die erste Fläche 930A ist dem feuchtigkeitsspendenden Fluid ausgesetzt, während die zweite Fläche 930B dem feuchtigkeitsaufnehmenden Fluid ausgesetzt ist. Auf diese Weise wird die erste Fläche 930A das hydrophile Diffusionsmedium, wo sie über ihre Dicke aufgrund von Materialeigenschaften oder -behandlungen inhärent hydrophil ist. Bei einer bevorzugten (obwohl nicht notwendigen) Ausführungsform ist es der Anodenströmungspfad, der der feuchtigkeitsspendende Fluidkanal 910 ist, der sich benachbart der ersten Fläche 930A befindet. Der Abschnitt des Diffusionsmediums 940 an dem feuchtigkeitsaufnehmenden Fluidkanal 920 muss nicht hydrophil sein. Das hydrophile Diffusionsmedium 940 auf der feuchtigkeitsspendenden Seite dient zwei nützlichen Funktionen. Zuerst zieht es flüssiges Wasser von den Strömungskanälen, wodurch diese frei von Blockierung gehalten werden. Zweitens sieht es durch Halten von flüssigem Wasser an der Wasserübertragungsmembran 930 eine konsistentere Versorgung von Wasser an den feuchtigkeitsaufnehmenden Fluidkanal 920 vor, wodurch es als ein Wasserpuffer wirkt. Mit anderen Worten kann die Pufferwirkung eine konsistentere Befeuchtung der Brennstoffzelle 300 sicherstellen, da die Tendenz des hydrophilen Diffusionsmediums 940, um flüssiges Wasser zu speichern, die Membran 930 unter Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 300 hydratisiert hält, bei denen periodische Entladungen von Wasser auftreten können. Zusätzlich zeigen einige Membranmaterialien eine höhere Leistungsfähigkeit, wenn sich flüssiges Wasser in Kontakt mit der Seite der Membran 930 befindet, die zu dem feuchtigkeitsspendenden Fluidkanal 910 weist (d. h. diesem benachbart ist). Während die Wassertransporteinheit 900 mit einem feuchtigkeitsspendenden Fluid in entweder der flüssigen oder dampfförmigen Form arbeitet, arbeitet die Membran 930 allgemein besser, wenn das in dem Fluid enthaltene Wasser in flüssiger Form vorliegt. Überdies ist der flexible poröse Aufbau des hydrophilen Diffusionsmediums 940 so, dass jegliches Wasser, das in dem feuchtigkeitsspendenden Fluidkanal 910 der Wassertransporteinheit 900 eingeschlossen ist, während Gefrierbedingungen an die Schicht gesaugt wird, was diesen beständig gegenüber Gefrier-Auftau-Zyklen macht. Wie gezeigt ist, stehen die beiden Kanäle in einer Gegenstrombeziehung zueinander, so dass das Fluid in dem feuchtigkeitsaufnehmenden Fluidkanal 920 in die linke Seite, wie gezeigt ist, mit wenig oder gar keiner Feuchte eintritt und diesen auf der rechten Seite mit einem erhöhten Niveau an Feuchte verlässt, nachdem es Wasser von dem von rechts nach links strömenden Fluid in dem feuchtigkeitsspendenden Fluidkanal 910 aufgenommen hat. Obwohl die Wassertransporteinheit 900 als ein Paar allgemein rechtwinkliger filmartiger Kanäle 910 und 920 mit der Membran 930 und dem Diffusionsmedium 940 gezeigt ist, sei angemerkt, dass die Kanäle, die Membran und das Diffusionsmedium beliebige einer Vielzahl von Formen annehmen können. Es sei auch angemerkt, dass die in 4B gezeigte Ansicht nicht maßstabsgetreu ist, und dass ein Abstand zwischen den verschiedenen Elementen darin erheblich kleiner als angegeben ist.
