DE102007044638B4

DE102007044638B4 - Brennstoffzelle und Bipolarplatte mit interner Protonenaustauschmembranbefeuchtung und -kühlung mit Kraftfahrzeugkühlmittel

Info

Publication number: DE102007044638B4
Application number: DE102007044638A
Authority: DE
Inventors: Volker Drünert; George R. Woody; Annette M. Brenner
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2027-09-20
Also published as: DE102007044638A1; US7638235B2; US20080075993A1

Abstract

Brennstoffzelle, mit: einer Membranelektrodenanordnung (MEA); und einer ersten Bipolarplatte, die auf einer Seite der MEA positioniert ist, wobei die erste Bipolarplatte eine erste Unipolarplatte und eine zweite Unipolarplatte aufweist, die miteinander verbunden sind, wobei die erste und zweite Unipolarplatte der ersten Bipolarplatte Kathodenreaktandengasströmungskanäle, die der MEA zugewandt sind, Anodenreaktandengasströmungskanäle, die von der MEA abgewandt sind, und Kühlfluidströmungskanäle definieren, wobei die erste und zweite Unipolarplatte der ersten Bipolarplatte eine Vielzahl von Poren aufweisen, die sich durch die Unipolarplatten zwischen den Kühlfluidströmungskanälen und den Anoden- und Kathodenreaktandengasströmungskanälen erstrecken und wobei die erste Bipolarplatte zumindest eine Pervaporationsmembran aufweist, die die Poren bedeckt oder in den Poren positioniert ist und selektiv zulässt, dass Wasser in einem Kühlfluid, das durch die Kühlfluidströmungskanäle strömt, durch die Poren pervaporiert und als Wasserdampf in die Reaktandengasströmungskanäle eintritt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Bipolarplatten für Brennstoffzellen und insbesondere eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die Löcher oder Poren aufweist, die durch eine Pervaporationsmembran bedeckt sind, die nur einen Eintritt von Wasser von dem Stapelkühlfluid in die Reaktandengasströmungskanäle zulässt, um eine Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran vorzusehen.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. 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.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb, einschließlich einem richtigen Wassermanagement und einer richtigen Befeuchtung.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel etwa zweihundert oder mehr Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, 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 enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengas strömungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Überhöhte Stapeltemperaturen können die Membranen und andere Materialien in dem Stapel schädigen. Brennstoffzellensysteme verwenden daher ein thermisches Subsystem, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu steuern. Insbesondere wird ein Kühlfluid durch die Kühlfluidströmungskanäle in den Bipolarplatten in dem Stapel gepumpt, um Stapelabwärme abzuziehen. Beim normalen Brennstoffzellenstapelbetrieb wird die Drehzahl der Pumpe auf Grundlage der Stapellast, der Umgebungstemperatur und anderer Faktoren gesteuert, so dass die Betriebstemperatur des Stapels bei einer optimalen Temperatur, beispielsweise 80°C, beibehalten wird. Typischerweise ist ein Kühler in einer Kühlmittelschleife außerhalb des Stapels vorgesehen, der das von dem Stapel erhitzte Kühlfluid kühlt, wobei das gekühlte Kühlfluid durch den Stapel rückgeführt wird. Das Kühlfluid ist typischerweise ein Kraftfahrzeug-Kühlfluid, wie ein Wasser/Glykol-Gemisch, wobei das Glykol ein Gefrieren des Kühlfluides verhindert.
Wie es in der Technik gut bekannt ist, arbeiten Brennstoffzellenmembranen mit einer bestimmten relativen Feuchte (RF), so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Die Belieferung der Membran mit der richtigen Menge an Feuchtigkeit stellt eine der Schlüsselherausforderungen von Brennstoffzellensystemen dar.
Wie oben beschrieben ist, wird Wasser als ein Nebenprodukt des Stapelbetriebs erzeugt. Daher weist das Kathodenabgas von dem Stapel Wasserdampf und flüssiges Wasser auf. In der Technik ist es bekannt, eine Wasserdampfübertragungs-(WVT)-Einheit zu verwenden, um einen Teil des Wassers in dem Kathodenabgas abzufangen und das Wasser dazu zu verwenden, die Kathodeneingangsluftströmung zu befeuchten. Es können auch andere Vorrichtungen, wie eine Kathodenabgasrezirkulationspumpe, die WVT-Vorrichtung, Wasserrückgewinnungs- und Sprüheinspritzvorrichtungen, etc., erforderlich sein. WVT-Einheiten und ihre erforderlichen Komponenten sind tendenziell ziemlich teuer und besitzen die Neigung, einen großen Betrag an Raum in Brennstoffzellensystemkonstruktionen zu besetzen. Daher verringert die Beseitigung der WVT-Vorrichtung nicht nur die Kosten des Systems, sondern verringert auch den Einbauraum. Ferner weist die Handhabung von flüssigem Wasser bei Bedingungen unter Null verschiedene Konstruktionsschwierigkeiten auf, um ein Gefrieren und dergleichen zu verhindern.
Das U. S. Patent Nr. US 6 794 077 B2 , das am 21. September 2004 auf Yee et al. erteilt wurde, mit dem Titel ”Passive Water Management Fuel Cell”, offenbart ein Verfahren zur Befeuchtung einer einem Brennstoffzellenstapel zugehörigen Reaktandengasströmung innerhalb des Stapels. Bei diesem System wird ein konstanter Wasserfluss von Kühlfluidwasser durch Sickerlöcher an die Brennstoffreaktandengaskanäle geliefert. Die Konstruktion des Systems erfordert, dass nur deionisiertes Wasser als das Stapelkühlfluid verwendet werden kann. Da nur deionisiertes Wasser als das Kühlfluid verwendet werden kann, existieren signifikante Probleme hinsichtlich eines Gefrierens von Kühlfluid, die angegangen werden müssen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle offenbart, die Poren aufweist, die zwischen Kühlfluidströmungskanälen und Reaktandengasströmungskanälen, die durch die Platte definiert sind, verlaufen. Pervaporationsmembranen bedecken die Poren oder es sind Pervaporationsmembranstopfen in die Poren eingesetzt. Die Membranenn lassen selektiv nur eine Pervaporation von Wasser in dem Kühlfluid, das entlang der Kühlfluidströmungskanäle strömt, durch die Membran zu, um das entlang der Reaktandengasströmungskanäle strömende Reaktandengas zu befeuchten. Bei einer Ausführungsform weist die Bipolarplatte zwei geprägte bzw. gestanzte Metallunipolarplatten auf, die aneinander angebracht sind.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht eines Brennstoffzellensystems;
2 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle in dem in
1 gezeigten Brennstoffzellenstapel; und
3 ist eine Nahansicht eines Abschnitts der in 2 gezeigten Brennstoffzelle mit Strömungslöchern oder -poren und Pervaporationsmembranen, um zu ermöglichen, dass Wasser in den Kühlfluidströmungskanälen zu dem Reaktandengasströmungskanal pervaporieren kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System zur Befeuchtung von Reaktandengasströmungskanälen in einem Brennstoffzellenstapel gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist eine schematische Draufsicht eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Kathodenluft wird an die Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 12 auf Leitung 14 geliefert, und Wasserstoff-Brennstoff wird an die Anodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 12 auf Leitung 16 geliefert. Ein Kathodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf Leitung 18 ausgegeben, und ein Anodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf Leitung 20 ausgegeben. Ein Wasserabscheider 22 scheidet Wasser von dem Kathodenabgas ab, und ein Wasserabscheider 24 scheidet Wasser von dem Anodenabgas ab. Das von den Wasserabscheidern 22 und 24 abgeschiedene Wasser wird durch eine Pumpe 26 auf Leitung 28 an ein Kühlfluidreservoir 30 gepumpt. Ein Kühlfluid strömt durch Kühlfluidkanäle in den Brennstoffzellen 12 und durch eine Kühlfluidschleife 32 außerhalb des Stapels 12. Das Kühlfluid wird durch den Stapel 12 und die Kühlfluidschleife 32 durch eine Pumpe 34 gepumpt. Das erhitzte Kühlfluid von dem Stapel 12 wird durch eine Kühler- und Gebläseanordnung 36 gekühlt. Das Kühlfluid kann ein beliebiges Kühlfluid sein, das für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist, wie eine Wasser/Glykol-Lösung.
2 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 40, die Teil des Brennstoffzellenstapels 12 ist. Die Brennstoffzelle 40 weist eine Kathodenseite 42 und eine Anodenseite 44 auf, die durch eine Membran 46 getrennt sind, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran oder eine andere geeignete Membran. Eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 50 ist auf der Kathodenseite 42 vorgesehen, und eine kathodenseitige Katalysatorschicht 52 ist zwischen der Membran 46 und der Diffusionsmediumschicht 50 vorgesehen. Ähnlicherweise ist eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 54 auf der Anodenseite 44 vorgesehen, und eine anodenseitige Katalysatorschicht 56 ist zwischen der Membran 46 und der Diffusionsmediumschicht 54 vorgesehen. Die Katalysatorschichten 52 und 56 und die Membran 46 definieren eine MEA. Die Diffusionsmediumschichten 50 und 54 sind poröse Schichten, die für einen Eingangsgastransport zu und Wassertransport von der MEA sorgen. In der Technik sind verschiedene Techniken bekannt, um die Katalysatorschichten 52 und 56 auf den Diffusionsmediumschichten 50 bzw. 54 oder auf der Membran 46 abzuscheiden.
Auf der Kathodenseite 42 ist eine kathodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 58 vorgesehen, und auf der Anodenseite 44 ist eine anodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 60 vorgesehen. Die Bipolarplatten 58 und 60 sind zwischen den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 12 vorgesehen. Eine Wasserstoffreaktandengasströmung von den Strömungskanälen 62 in der Bipolarplatte 60 reagiert mit der Katalysatorschicht 56, um die Wasserstoffionen und die Elektronen aufzuspalten. Eine Luftströmung von Strömungskanälen 64 in der Bipolarplatte 58 reagiert mit der Katalysatorschicht 52. Die Wasserstoffionen können sich durch die Membran 46 hindurch ausbreiten, wo sie den Ionenstrom durch die Membran 46 führen. Das Endprodukt ist Wasser, das keinen negativen Einfluss auf die Umgebung besitzt.
Die Bipolarplatte 58 weist zwei Unipolarplatten 70 und 72 auf, und die Bipolarplatte 60 weist zwei Unipolarplatten 74 und 76 auf. Bei dieser Ausführungsform sind die Unipolarplatten 70 bis 76 Platten aus rostfreiem Stahl, die in die Gestaltung, wie gezeigt ist, stanzgeprägt sind. Jedoch können die Unipolarplatten 70–76 ein beliebiges geeignetes leitendes Metall oder Kompositmaterial sein, das in die für eine Bipolarplatte gewünschte Gestalt geformt werden kann. Die Unipolarplatten 70 und 72 werden dann durch einen geeigneten Prozess miteinander verbunden, wie Schweißen, um die vollständige Bipolarplatte 58 zu definieren. Ähnlicherweise werden die Unipolarplatten 74 und 76 miteinander verbunden, um die vollständige Bipolarplatte 60 zu bilden. Durch Verbinden der Unipolarplatten 70 und 72 auf diese Weise weist die Bipolarplatte 58 Kühlfluidströmungskanäle 78, die zwischen den Unipolarplatten 70 und 72 vorgesehen sind, und Anodenströmungskanäle 80 für die Anodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle auf. Ähnlicherweise weist die Bipolarplatte 60 Kühlfluidströmungskanäle 82, die zwischen den Unipolarplatten 74 und 76 vorgesehen sind, und Kathodenströmungskanäle 84 für die Kathodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle auf.
Die vorliegende Erfindung schlägt die Beseitigung der externen Befeuchtungsvorrichtungen, wie WVT-Einheiten, bei bestimmten Brennstoffzellensystemkonstruktionen und die Verwendung des Wassers in dem Kühlfluid vor, das durch die Kühlfluidströmungskanäle 78 und 82 gelangt, um die Membran 46 zu befeuchten. Typischerweise ist das Kühlfluid ein Wasser/Ethylenglykol-Gemisch, wobei das Glykol dazu verwendet wird, um ein Gefrieren des Kühlfluides bei Umgebungen unter Null zu verhindern. Jedoch besitzt das Glykol in der Kühlfluidmischung einen nachteiligen Einfluss auf die MEAs, wenn zugelassen wird, dass dieses in die Reaktandengasströmungskanäle eintreten kann.
3 ist eine Nahansicht eines Abschnitts der Brennstoffzelle 40. In den Unipolarplatten 58 und 60 ist um den Umfang der Kühlfluidströmungskanäle 78 und 82 eine Serie von Löchern oder Poren 90 vorgesehen, um einen Strömungspfad zwischen den Kühlfluidströmungskanälen 78 und 80 und den Reaktandengasströmungskanälen 62 und 64 vorzusehen. Gemäß der Erfindung sind an einer Innenfläche der Kühlfluidströmungskanäle 78 und 82 Pervaporationsmembranen 92 vorgesehen, um die Löcher oder Poren 90 zu bedecken. Bei einer alternativen Ausführungsform können die Membranen 92 weggelassen werden und jedes Loch oder jede Pore 90 kann mit einer Pervaporationsverbindung gefüllt werden, wobei das eigentliche Loch oder die eigentliche Pore 90 als die Stützstruktur für die Verbindung dient. Ein Beispiel einer derartigen Pervaporationsverbindung ist als Membranstopfen 94 in einigen der Poren 90 gezeigt. Die Stopfen 94 können in den Poren 90 durch einen beliebigen geeigneten Prozess abgeschieden werden, wie durch Tauchen der Unipolarplatte in eine Lösung von Pervaporationsmaterial, Besprühen der Unipolarplatte mit einem Pervaporationsmaterial, Aufstreichen eines Pervaporationsmaterials auf die Unipolarplatte, etc. Sobald das Pervaporationsmaterial getrocknet ist, sind die Poren 90 mit dem Pervaporationsmaterial gefüllt und es kann ein Film des Pervaporationsmaterials auf einer Oberfläche der Unipolarplatten 70–76 vorhanden sein. Somit betrifft, wie für den Fachmann offensichtlich ist, der Begriff ”Pervaporationsmembran”, wie hier verwendet ist, alle Typen von Pervaporationsmaterialien, die die Poren 90 füllen oder in die Poren 90 eingesetzt sind.
Die Pervaporationsmembranen 92 stellen eine Membran für selektive Pervaporation dar, da sie zulässt, dass sich Wasser hindurch ausbreiten kann, und verhindert, dass sich Glykol durch diese hindurch ausbreiten kann. Wasser, das durch die Membranen 92 pervaporiert, verdunstet auf einer entgegengesetzten Seite der Membran 92, so dass Wasserdampf in die Reaktandengasströmungskanäle 62 und 64 eintritt. Der Wasserdampf wird von dem durch die Strömungskanäle 62 und 64 strömenden Reaktandengas aufgenommen und durch die Diffusionsmediumschichten 50 und 54 an die Membran 46 geführt. Membranen und Verbindungen, die eine Pervaporationscharakteristik besitzen, sind in der Technik gut bekannt.
Für den Fachmann ist offensichtlich, dass andere Typen von Kühlfluidlösungen, die von Wasser/Glykol-Lösungen verschieden sind, für andere Brennstoffzellenstapelkonstruktionen anwendbar sein können. Dem Wasser können verschiedene Gefrierschutzadditive innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung hinzugesetzt werden, wie Ethanol, Methanol, Ethylenglykol, Ammoniak- oder Salzlösungen wie CaCl₂, NaCl und K₂CO₃. Potentiell kann ein beliebiges Additiv, das den Gefrierpunkt des Kühlfluides auf die gewünschte Temperatur senkt, verwendet werden.
Wie oben beschrieben ist, ist die Pervaporation ein Trennungsprozess, bei dem eine flüssige Phase mit einer nicht porösen permaselektiven Membran in Kontakt steht. Eine Komponente wird durch die Membran hindurch transportiert und verdunstet auf einer entgegengesetzten Seite der Membran, die diese als ein Dampf verlässt. Durch Absenken des Partialdrucks des Wassers wird eine Permeation bewirkt. Pervaporationsmembranen liegen typischerweise als zwei Typen vor. Genauer entfernen hydrophile Pervaporationsmembranen Wasser von organischen Lösungen, und hydrophobe Membranen entfernen organische Verbindungen von Wasser. Bei einer nicht beschränkenden Ausführungsform sind die Membranen 92 Kompositmembranen mit einer aktiven Schicht aus vernetztem Polyvinylalkohol (PVA), die auf eine Polyethersulfonträgermembran tauchbeschichtet ist. Dem Fachmann ist es auch offensichtlich, dass andere Pervaporationsmaterialien, die auf andere Arten abgeschieden werden können, anwendbar sind, wie diejenigen, die auf die Unipolarplatte 70 bis 76 abgeschieden werden können, um die Stopfen 94 zu bilden. Beispielsweise kann die Pervaporationsmembran Polyacrylamid (PAAM), Polyacrylnitril (PAN), Chitosan (CS), Polysulfon-Kompositmaterialien, Alginat und schichtartige oder Kompositmembranen ähnlicher Materialien aufweisen. Auch können PVA-GPTMS/TEOS-Hybridpervaporationsmembranen verwendet werden, einschließlich organischer/anorganischer Hybridmembrane, die durch Cohydrolyse und Cokondensation von Glycidyloxypropyltrimethoxysilan (GPTMS) und Tetraethoxysilan (TEOS) in einer wässrigen PVA-Lösung hergestellt werden. Viel versprechende Ergebnisse wurden auch unter Verwendung ionisch oberflächenvernetzter Chitosanmembranen erhalten. In der Literatur sind Permeationsraten von bis zu 1,7 kg/m²/h mit einem Gemisch aus 90% Glykol und 10% Wasser bei 75°C berichtet worden.
Der Druck der Kühlfluidströmung und die Druckdifferenz zwischen der Kühlfluidströmung und der Reaktandengasströmung sind hauptsächlich gegebene Parameter auf Grundlage der Konstruktion der Brennstoffzelle. Allgemein sollte der Kühlfluiddruck dem Reaktandengasdruck innerhalb einer bestimmten Bandbreite folgen. Partialdruckdifferenzen zwischen den Kühlfluidströmungskanälen 78 und 82 und den Reaktandengasströmungskanälen 62 und 64 stellen die Treibkraft für den Wassertransport durch die Membranen 92 dar. Gemäß Gleichung (1) unten erhöht eine Erhöhung des Kühlfluiddrucks im Vergleich zu dem Reaktandengasdruck den Wasserfluss durch die Membran 92.
wobei J_i der Wasserfluss (mol/m²s) ist, Q die Gesamtpermeabilität für die Membran (mol m²/m³s Pa) ist, p^sat der Sättigungsdampfdruck von reinem Wasser (Pa) ist, a_f die Aktivität von Wasser in dem Zustrom ist, a_p die Aktivität von Wasser in dem Produktstrom ist, P der Partialdruck des Wassers (Pa) ist, x der Molenbruch des Fluides in flüssiger Phase ist, y^∞ der Aktivitätskoeffizient von Wasser in einer unendlich verdünnten wässrigen Lösung ist und 1 die Dicke der Membran 92 ist.
Der Durchmesser der Löcher oder Poren 90, die Anzahl der Löcher oder Poren 90 und die Ausgestaltung der Löcher oder Poren 90 sind anwendungsspezifisch und werden durch geeignete Tests vorgesehen. Das ursprüngliche Blech, das dazu verwendet wird, die Unipolarplatten 70–76 stanzzuprägen, kann mit einer speziellen Ausgestaltung der gestanzten Löcher oder Poren 90 geformt sein, um die gewünschte Konfiguration vorzusehen, bevor das Blech stanzgeprägt wird. Die Löcher oder Poren 90 können sich über die gesamte Länge der Strömungskanäle erstrecken, gleichmäßig entlang der Länge der Kühlfluidströmungskanäle 78 und 82 beabstandet sein oder in Gruppierungen entlang der Kühlfluidströmungskanäle 78 und 82 gruppiert sein, müssen dies jedoch nicht, und zwar abhängig davon, wie viel Befeuchtung erwünscht ist. Ferner muss es nicht notwendig sein, Löcher oder Poren in jedem Kühlfluidströmungskanal vorzusehen, wobei die Löcher oder Poren 90 in jedem zweiten abwechselnden Strömungskanal vorgesehen sein können. Auch können die Membranen 92 mit der Innenfläche der Unipolarplatten in den Kühlfluidströmungskanälen durch einen beliebigen geeigneten Prozess verbunden sein, wie durch Kleben oder Tauchen. Ferner können bei anderen Ausführungsformen die Membranen 92 an der Außenfläche der Unipolarplatten 70–76 vorgesehen sein.
Ein anderer Aspekt zur Bereitstellung einer Innenbefeuchtung auf diese Weise unter Verwendung der selektiven Pervaporationsmembran 92 ist die verbesserte Innenkühlung des Brennstoffzellenstapels 12 aufgrund der Energie, die für die Verdunstung des Wassers erforderlich ist. Insbesondere zieht, da die Membranen 92 zur Folge haben, dass das Wasser auf der Reaktandengasströmungsseite der Membranen 92 verdunstet, der Verdunstungsprozess Wärme von der Brennstoffzelle auf Grundlage der folgenden Gleichung.
Der Prozess zum Abzug von Wasser aus dem Kühlfluid zu Befeuchtungszwecken, wie oben beschrieben ist, reduziert die Wassermenge in dem Kühlfluid. Jedoch ist ein breiter Bereich von variierenden Konzentrationen von Wasser zu Glykol in dem Kühlfluid für den Brennstoffzellenstapel 12 geeignet, der die richtige Kühlung und Gefrierreduzierung vorsieht. Auch kann das Produktwasser, das von den Wasserabscheidern 22 und 24 abgeschieden wird und das Kühlmittelreservoir 30 füllt, dazu verwendet werden, das verlorene Wasser in dem Kühlfluid zu ersetzen.
Ferner arbeiten die Pervaporationsmembranen 92 derart, dass, je höher die Temperatur des Kühlfluides ist, um so mehr Wasser in den Reaktandengasströmungskanälen 62 und 64 verdunstet wird. Dies ist wichtig, da, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 zunimmt, mehr Befeuchtung erforderlich ist, um die Nässe der Membran 46 aufrechtzuerhalten. Daher erfüllt der Betrieb der Pervaporationsmembran 92 diese Anforderung.

Claims

Brennstoffzelle, mit: einer Membranelektrodenanordnung (MEA); und einer ersten Bipolarplatte, die auf einer Seite der MEA positioniert ist, wobei die erste Bipolarplatte eine erste Unipolarplatte und eine zweite Unipolarplatte aufweist, die miteinander verbunden sind, wobei die erste und zweite Unipolarplatte der ersten Bipolarplatte Kathodenreaktandengasströmungskanäle, die der MEA zugewandt sind, Anodenreaktandengasströmungskanäle, die von der MEA abgewandt sind, und Kühlfluidströmungskanäle definieren, wobei die erste und zweite Unipolarplatte der ersten Bipolarplatte eine Vielzahl von Poren aufweisen, die sich durch die Unipolarplatten zwischen den Kühlfluidströmungskanälen und den Anoden- und Kathodenreaktandengasströmungskanälen erstrecken und wobei die erste Bipolarplatte zumindest eine Pervaporationsmembran aufweist, die die Poren bedeckt oder in den Poren positioniert ist und selektiv zulässt, dass Wasser in einem Kühlfluid, das durch die Kühlfluidströmungskanäle strömt, durch die Poren pervaporiert und als Wasserdampf in die Reaktandengasströmungskanäle eintritt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei neben der zumindest einen Pervaporationsmembran eine Vielzahl von Pervaporationsmembranen vorgesehen ist, wobei jede Membran eine Vielzahl von Poren bedeckt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die zumindest eine Pervaporationsmembran zwei separate Pervaporationsmembranen für jeden Kühlfluidströmungskanal aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei die Pervaporationsmembranen in den Kühlfluidströmungskanälen positioniert sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Pervaporationsmembran eine Vielzahl von Membranverbindungsstopfen aufweist, die in den Poren positioniert sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Pervaporationsmembran auf der ersten Bipolarplatte durch einen Prozess abgeschieden ist, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Tauchef der ersten Bipolarplatte in eine Lösung eines Pervaporationsmaterials, Aufsprühen eines Pervaporationsmaterials auf die erste Bipolarplatte und Aufstreichen eines Pervaporationsmaterials auf die erste Bipolarplatte.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Kühlfluid ein Wasser/Glykol-Gemisch ist und wobei die zumindest eine Pervaporationsmembran verhindert, dass das Glykol in dem Kühlfluid hindurch pervaporiert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Unipolarplatte stanzgeprägte Metallplatten sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die stanzgeprägten Metallplatten Platten aus rostfreiem Stahl sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Unipolarplatte Kompositplatten sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, ferner mit einer Diffusionsmediumschicht, die zwischen der MEA und der ersten Bipolarplatte positioniert ist, wobei die Löcher, die durch die erste Bipolarplatte, die der MEA zugewandt ist, führen, in der Nähe der Diffusionsmediumschicht positioniert sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, ferner mit einer zweiten Bipolarplatte, die an der anderen Seite der MEA positioniert ist, wobei die zweite Bipolarplatte eine dritte Unipolarplatte und eine vierte Unipolarplatte aufweist, die miteinander verbunden sind, wobei die dritte und vierte Unipolarplatte der zweiten Bipolarplatte Anodenreaktandengasströmungskanäle, die der MEA zugewandt sind, Kathodenreaktandengasströmungskanäle, die von der MEA abgewandt sind, und Kühlfluidströmungskanäle aufweisen, wobei die dritte und vierte Unipolarplatte der zweiten Bipolarplatte eine Vielzahl von Poren aufweisen, die sich durch die Unipolarplatten zwischen den Kühlfluidströmungskanälen und den Anoden- und Kathodenreaktandengasströmungskanälen erstrecken, und wobei die zweite Bipolarplatte zumindest eine Pervaporationsmembran aufweist, die die Poren bedeckt oder in den Poren positioniert ist und selektiv zulässt, dass Wasser in dem Kühlfluid, das durch die Kühlfluidströmungskanäle strömt, durch die Poren pervaporiert und als Wasserdampf in die Reaktandengasströmungskanäle eintritt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Pervaporationsmembran eine Kompositmembran mit einer aktiven Schicht aus vernetztem Polyvinylalkohol auf einem Polyethersulfonträgermaterial oder eine Kompositmembran aus ionisch oberflächenvernetztem Chitosan ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Pervaporationsmembran aus einem Membranmaterial gewählt ist, das aus: einem vernetzten Polyvinylalkohol, Polyacrylamiden, Polyacrylnitrilen, Chitosanen, Polysulfonen, Alginat, Glycidyloxypropyltrimethoxysilanen und Tetraethoxysilanen besteht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Kühlfluid ein Additiv aufweist, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Ethanol, Methanol, Ethylenglykol, Ammoniak und Salzlösungen.
Brennstoffzelle, mit: einer Membranelektrodenanordnung (MEA); einer kathodenseitigen Bipolarplatte, die auf einer Seite der MEA positioniert ist, wobei die kathodenseitige Bipolarplatte eine erste Unipolarplatte und eine zweite Unipolarplatte aufweist, die miteinander verbunden sind, wobei die erste und zweite Unipolarplatte der kathodenseitigen Bipolarplatte Kathodenreaktandengasströmungskanäle, die der MEA zugewandt sind, Anodenreaktandengasströmungskanäle, die von der MEA abgewandt sind, und Kühlfluidströmungskanäle definieren, wobei die erste und zweite Unipolarplatte der kathodenseitigen Bipolarplatte eine Vielzahl von Poren aufweisen, die sich durch die erste und zweite Unipolarplatte zwischen den Kühlfluidströmungskanälen und den Anoden- und Kathodenreaktandengasströmungskanälen erstrecken, wobei die kathodenseitige Bipolarplatte ferner mehrere Pervaporationsmembranen aufweist, die über den Poren positioniert sind, wobei eine Pervaporationsmembran die Poren, die den Kathodenreaktandengasströmungskanälen zugewandt sind, und eine andere Pervaporationsmembran die Poren, die den Anodenreaktandengasströmungskanälen zugewandt sind, in jedem Kühlfluidströmungskanal bedecken; und einer anodenseitigen Bipolarplatte, die auf der anderen Seite der MEA positioniert ist, wobei die anodenseitige Bipolarplatte eine dritte Unipolarplatte und eine vierte Unipolarplatte aufweist, die miteinander verbunden sind, wobei die dritte und vierte Unipolarplatte der anodenseitigen Bipolarplatte Anodenreaktandengasströmungskanäle, die der MEA zugewandt sind, Kathodenreaktandengasströmungskanäle, die von der MEA abgewandt sind, und Kühlfluidströmungskanäle definieren, wobei die dritte und vierte Unipolarplatte der anodenseitigen Bipolarplatte eine Vielzahl von Poren aufweisen, die sich durch die dritte und vierte Unipolarplatte zwischen den Kühlfluidströmungskanälen und den Anoden- und Kathodenreaktandengasströmungskanälen erstrecken, wobei die anodenseitige Bipolarplatte ferner mehrere Pervaporationsmembranen aufweist, die über den Poren positioniert sind, wobei eine Pervaporationsmembran die Poren, die den Anodenreaktandengasströmungskanälen zugewandt sind, und eine andere Pervaporationsmembran die Löcher, die den Kathodenreaktandengasströmungskanälen zugewandt sind, in jedem Kühlfluidströmungskanal bedecken, wobei die Pervaporationsmembranen selektiv zulassen, dass Wasser in einem Kühlfluid, das durch die Kühlfluidströmungskanäle strömt, durch die Poren pervaporiert und als Wasserdampf in die Reaktandengasströmungskanäle eintritt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei das Kühlfluid ein Wasser/Glykol-Gemisch ist und wobei die Pervaporationsmembrane verhindern, dass das Glykol in dem Kühlfluid hindurch pervaporiert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei die erste, zweite, dritte und vierte Unipolarplatte stanzgeprägte Metallplatten sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 18, wobei die geprägten Metallplatten Platten aus rostfreiem Stahl sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei die erste, zweite, dritte und vierte Unipolarplatte Kompositplatten sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei die Vielzahl von Pervaporationsmembranen eine Kompositmembran mit einer aktiven Schicht eines vernetzten Polyvinylalkohols auf einer Polyethersulfonträgermembran oder eine Kompositmembran aus ionisch oberflächenvernetztem Chitosan sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, ferner mit einer kathodenseitigen Diffusionsmediumschicht, die zwischen der MEA und der kathodenseitigen Bipolarplatte positioniert ist, und einer anodenseitigen Diffusionsmediumschicht, die zwischen der MEA und der anodenseitigen Bipolarplatte positioniert ist, wobei die Poren, die sich durch die anoden- und kathodenseitigen Bipolarplatten, die der MEA zugewandt sind, erstrecken, benachbart den kathodenseitigen und anodenseitigen Diffusionsmediumschichten positioniert sind.
Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei die Bipolarplatte Reaktandengasströmungskanäle und Kühlfluidströmungskanäle definiert, wobei die Bipolarplatte eine Vielzahl von Poren aufweist, die sich durch eine Platte zwischen den Reaktandengasströmungskanälen und den Kühlfluidströmungskanälen erstrecken, wobei die Bipolarplatte ferner zumindest eine Pervaporationsmembran aufweist, die die Poren bedeckt oder in den Poren positioniert ist und zulässt, dass Wasser in einem Kühlfluid, das durch die Kühlfluidströmungskanäle strömt, durch die Membran und in die Reaktandengasströmungskanäle pervaporiert.
Bipolarplatte nach Anspruch 23, wobei die zumindest eine Pervaporationsmembran eine Vielzahl von Pervaporationsmembranen aufweist, wobei jede Membran eine Vielzahl von Poren bedeckt.
Bipolarplatte nach Anspruch 24, wobei die zumindest eine Pervaporationsmembran zwei separate Pervaporationsmembranen für jeden Kühlfluidströmungskanal aufweist.
Bipolarplatte nach Anspruch 25, wobei die Pervaporationsmembranen in den Kühlfluidströmungskanälen positioniert sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 23, wobei die zumindest eine Pervaporationsmembran eine Vielzahl von Membranverbindungsstopfen umfasst, die in den Poren positioniert sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 23, wobei die zumindest eine Pervaporationsmembran an der Bipolarplatte durch einen Prozess abgeschieden wird, der aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Tauchen der Bipolarplatte in eine Lösung eines Pervaporationsmaterials, Aufsprühen eines Pervaporationsmaterials auf die Bipolarplatte und Aufstreichen eines Pervaporationsmaterials auf die Bipolarplatte.
Bipolarplatte nach Anspruch 23, wobei die Bipolarplatte ferner eine erste Unipolarplatte und eine zweite Unipolarplatte aufweist, wobei die erste Unipolarplatte Kathodenreaktandengasströmungskanäle definiert und die zweite Unipolarplatte Anodenreaktandengasströmungskanäle definiert.
Bipolarplatte nach Anspruch 29, wobei die Unipolarplatten stanzgeprägte Metallplatten sind.
Bipolarplatte nach Anspruch 23, wobei das Kühlfluid ein Wasser/Glykol-Gemisch ist, und wobei die Pervaporationsmembran verhindert, dass das Glykol in dem Kühlfluid hindurch pervaporiert.