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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere
ein Mittel zur Wasserentfernung von Bipolarplatten in einer Brennstoffzellenanordnung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen
sind als eine reine, effiziente sowie umweltfreundliche Energiequelle
für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen
worden. Ein Beispiel einer Brennstoffzelle ist die Brennstoffzelle
mit Protonenaustauschmembran (PEM). Die PEM-Brennstoffzelle weist
eine Membranelektrodenanordnung (MEA) auf, die allgemein einen dünnen
Festpolymermembranelektrolyt, der einen Katalysator besitzt, und
eine Elektrode auf beiden Seiten des Membranelektrolyten umfasst.
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Die
MEA umfasst allgemein poröse leitende Materialien, die
auch als Gasdiffusionsmedien bekannt sind und die die Anoden- und
Kathodenelektrodenschichten bilden. Brennstoff, wie Wasserstoffgas, wird
an der Anode eingeführt, an der er elektrochemisch in der
Anwesenheit des Katalysators reagiert, um Elektronen und Wasserstoffkationen
zu erzeugen. Die Elektronen werden von der Anode zu der Kathode
durch eine dazwischen geschaltete elektrische Schaltung geleitet.
Gleichzeitig gelangen die Wasserstoffkationen durch den Elektrolyt
an die Kathode, an der ein Oxidati onsmittel, wie Sauerstoff oder
Luft, elektrochemisch in der Anwesenheit des Elektrolyten und des
Katalysators reagiert, um Sauerstoffanionen zu erzeugen. Die Sauerstoffanionen reagieren
mit den Wasserstoffkationen, um Wasser als ein Reaktionsprodukt
zu bilden.
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Die
MEA ist allgemein zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente
oder Bipolarplatten angeordnet, um eine einzelne PEM-Brennstoffzelle
fertig zu stellen. Die Bipolarplatten dienen als Stromkollektoren
für die Anode und die Kathode und besitzen geeignete Strömungskanäle
und Öffnungen, die darin zur Verteilung der gasförmigen
Reaktanden (d. h. dem H2 & O2/Luft)
der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen
Elektroden geformt sind. Die Bipolarplatten können dadurch
zusammengebaut werden, dass zwei Unipolarplatten miteinander verbunden
werden, an denen Strömungsverteilungsfelder geformt sind.
Typischerweise weisen die Bipolarplatten auch Einlass- und Auslasssammelleitungen
auf, die, wenn sie in einem Brennstoffzellenstapel ausgerichtet
sind, interne Versorgungs- und Austragsverteiler formen, um die
gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle und flüssiges
Kühlmittel zu bzw. aus einer Vielzahl von Anoden und Kathoden
zu lenken.
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Wie
es in der Technik gut bekannt ist, müssen die Membrane
in einer Brennstoffzelle eine gewisse relative Feuchte besitzen,
um einen Ionenwiderstand über die Membran innerhalb eines
gewünschten Bereiches aufrecht zu erhalten und damit effektiv
Protonen zu leiten. Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit
aus den MEAs und externer Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle
eintreten. Wenn Feuchtigkeit entlang der Strömungskanäle
durch einen Druck von Reaktandengasen getrieben wird, ist die höchste
Wasserkonzentration an den Auslassgebieten der Bipolarplatten vorhanden,
an denen die Gasgeschwindigkeiten am geringsten sind. In einem Phänomen,
das als Stagna tion bekannt ist, kann sich in diesen Gebieten Wasser
ansammeln und einen Film bilden. Stagnierendes Wasser kann Strömungskanäle
blockieren und den Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle reduzieren.
Ein hoher Grad einer Wasseransammlung oder -stagnation kann zu einem
Brennstoffzellenausfall führen.
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Beispielsweise
ist durch periodisches Spülen der Kanäle mit Reaktandengas
mit einem höheren Durchfluss eine Minimierung einer Wasserstagnation möglich
geworden. Jedoch erhöht dies auf der Kathodenseite die
an den Luftkompressor angelegte parasitäre Leistung und
reduziert den Gesamtsystemwirkungsgrad. Überdies ist die
Verwendung von Wasserstoff als ein Spülgas aus einer Anzahl
von Gründen nicht erwünscht, einschließlich
einer verringerten Ökonomie, einem schlechteren Systemwirkungsgrad wie
auch einer erhöhten Systemkomplexität.
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Eine
Reduzierung des angesammelten Wassers in Kanälen kann auch
durch Verringerung einer Einlassbefeuchtung erreicht werden. Jedoch
ist es erwünscht, zumindest eine gewisse relative Feuchte in
den Anoden- und Kathodenreaktanden vorzusehen, um die Brennstoffzellenmembrane
zu hydratisieren. Ein trockenes Einlassgas besitzt einen Austrocknungseffekt
auf den Membranelektrolyt und kann einen Ionenwiderstand der Brennstoffzelle
erhöhen. Dieses Verfahren beeinträchtigt auch
die Langzeithaltbarkeit des Membranelektrolyten.
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Es
existiert ein fortwährender Bedarf nach einem Wasserentfernungsmechanismus,
der angesammeltes Wasser aus den Strömungsfeldkanälen an
den Austritt des Brennstoffzellenstapels transportiert. Es wird
angestrebt, dass der Mechanismus weder den Systemwirkungsgrad reduziert
noch einen Austrocknungseffekt auf den Membranelektrolyt einzelner
Brennstoffzellen besitzt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der
vorliegenden Offenbarung ist überraschend eine Bipolarplatte
entdeckt worden, die einen Wasserentfernungsmechanismus besitzt, der
Wasser aus den Strömungsfeldkanälen transportiert,
einen Systemwirkungsgrad maximiert und ein Trocknen des Membranelektrolyten
einzelner Zellen minimiert.
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Bei
einer Ausführungsform ist eine Bipolarplatte vorgesehen,
die eine erste Unipolarplatte mit einer aktiven Fläche
besitzt, die eine Vielzahl von darin geformten Strömungsfeldkanälen
besitzt. Die aktive Fläche der ersten Unipolarplatte besitzt
ein Einlassgebiet und ein Auslassgebiet. Die erste Unipolarplatte
umfasst ferner eine Einlasssammelleitung, die an einem ersten Ende
der Unipolarplatte angeordnet ist, und eine Auslasssammelleitung,
die an einem zweiten Ende der Unipolarplatte angeordnet ist. Die Einlasssammelleitung
steht in Verbindung mit dem Einlassgebiet der aktiven Fläche.
Die Auslasssammelleitung umfasst ferner eine hindurch geformte Austragsöffnung.
Ein Umfangsrand der Austragsöffnung ist abgeschrägt
und steht in Verbindung mit dem Auslassgebiet der aktiven Fläche.
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Ferner
ist ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen, der zumindest eine Brennstoffzelle
aufweist, die eine zwischen einem Paar von Bipolarplatten angeordnete
Membranelektrodenanordnung besitzt. Jede Bipolarplatte besitzt eine
aktive Fläche mit einer Vielzahl von darin geformten Strömungsfeldkanälen. Der
Brennstoffzellenstapel weist ferner einen Austragsverteiler auf,
der durch eine Austragsöffnung in jeder Bipolarplatte geformt
ist, wobei der Austragsverteiler einen Wasserentfernungskanal aufweist,
der in Verbindung mit der aktiven Fläche der Bipolarplatte steht.
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Der
Wasserentfernungskanal bewirkt eine kapillargetriebene Strömung
von flüssigem Wasser von der aktiven Fläche.
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Der
Wasserentfernungskanal besitzt bei bestimmten Ausführungsformen
eine Dreieckform. Der Brennstoffzellenstapel kann ferner eine Drainageleitung
aufweisen, die durch eine Austragsöffnung in jeder Bipolarplatte
geformt ist. Die Drainageleitung steht in Verbindung mit dem Wasserentfernungskanal
und wirkt einer Ansammlung von Wasser in den Strömungsfeldkanälen
und in dem Austritt der Kanäle während des Betriebs
des Brennstoffzellenstapels entgegen. Die Drainageleitung kann ungefüllt,
beschichtet oder strukturiert sein und kann eine Säule aus
hydrophilem Material aufweisen.
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ZEICHNUNGEN
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Die
obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden
dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die nachfolgend beschrieben
sind, leicht offensichtlich.
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1 zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung
eines PEM-Brennstoffzellenstapels (es sind nur zwei Zellen gezeigt);
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2 ist
eine perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung einer veranschaulichenden
Bipolarplatte, die aus einem Paar von Unipolarplatten zusammengebaut
ist, zur Verwendung in PEM-Brennstoffzellenstapeln;
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3 ist
eine bruchstückhafte Ansicht der in 2 gezeigten
Unipolarplatten;
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4 ist
eine bruchstückhafte Schnittansicht eines Austragsverteilers
der in 2 gezeigten Bipolarplatte; und
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5 ist eine bruchstückhafte Ansicht
der in 2 gezeigten Unipolarplatten entlang der Linie
4-4 und zeigt auch eine Strömung von Wasser und eine Drainagesäule.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht
dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, die Anwendung oder den
Gebrauch zu beschränken. Es sei auch zu verstehen, dass über
alle Zeichnungen hinweg entsprechende Bezugszeichen gleiche oder
entsprechende Teile und Merkmale angeben.
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1 zeigt
einen zwei Zellen umfassenden PEM-Brennstoffzellenstapel 2,
der ein Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4, 6 besitzt,
die voneinander durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 8,
nachfolgend einer Bipolarplatte 8, getrennt sind. Die MEAs 4, 6 und
die Bipolarplatte 8 sind zwischen Endplatten 10, 12 und Endkontaktelementen 14, 16 aneinandergestapelt. Das
Endkontaktelement 14, beide aktive Flächen der Bipolarplatte 8 und
das Endkontaktelement 16 enthalten eine Vielzahl von Strömungspfaden
bzw. Strömungskanälen 18, 20, 22, 24 zur
Verteilung eines Brennstoffes, wie H2, und
eines Oxidationsmittelgases, wie beispielsweise O2,
an die MEAs 4, 6. Nichtleitende Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 sehen
Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen Komponenten
des Brennstoffzellenstapels 2 vor.
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Elektroden 34, 36, 38, 40 der
MEAs 4, 6 sind typischerweise aus einem gaspermeablen
leitenden Material geformt, wie beispielsweise Kohlenstoff/Graphit-Diffusionspapier.
Die Elektroden 34, 36, 38, 40 grenzen
an die Elektrodenseiten der MEAs 4, 6 an. Die
Endkontaktelemente 14, 16 werden gegen die Elektroden 34 bzw. 40 getrieben,
während die Bipolarplatte 8 an die Elektrode 36 auf
einer Anodenseite der MEA 4 angrenzt, die derart ausgebildet
ist, um einen wasserstoffhaltigen Reaktanden aufzunehmen, und an
die Elektrode 38 auf einer Kathodenseite der MEA 6 angrenzt,
die derart ausgebildet ist, um einen sauerstoffhaltigen Reaktanden
aufzunehmen. Der sauerstoffhaltige Reaktand wird an eine Kathodenseite
des Brennstoffzellenstapels 2 von einem Speichertank 46 durch
eine geeignete Versorgungsleitung 42 geliefert, während
der wasserstoffhaltige Reaktand an eine Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 von
einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsleitung 44 geliefert
wird. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als
ein sauerstoffhaltiger Reaktand und Wasserstoff an die Anodenseite
von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert
werden. Es ist auch eine Austragsleitung (nicht gezeigt) für
sowohl die Anoden- als auch die Kathodenseiten der MEAs 4, 6 vorgesehen.
Zusätzliche Leitungen 50, 52, 54 sind
zur Lieferung eines Kühlmittels an die Bipolarplatte 8 und
die Endplatten 14, 16 vorgesehen. Geeignete Leitungen
(nicht gezeigt) zum Austrag von Kühlmittel von der Bipolarplatte 8 und
den Endplatten 14, 16 sind ebenfalls vorgesehen.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung einer veranschaulichenden
Bipolarplatte 8, die gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Bipolarplatte 8 um fasst
eine erste äußere Tafel aus Metall (oder leitendem
Polymer) oder Unipolarplatte 200 und eine zweite Außenmetalltafel
oder Unipolarplatte 202. Die Unipolarplatten 200, 202 werden
typischerweise durch Prägen oder einen beliebigen anderen
herkömmlichen Prozess zum Formen von Blech geformt, wie
beispielsweise Photoätzen durch eine photolithographische
Maske. Typische Prozesse, wie Umformen, werden dazu verwendet, den
leitenden Polymerplatten Gestalt zu verleihen. Es sei angemerkt,
dass Blech in einer Vielzahl von Stärken verfügbar
ist, die für die Unipolarplatten 200, 202 der vorliegenden
Erfindung geeignet sind. Als nicht beschränkende Beispiele
können geeignete Blechstärken im Stärkenbereich
von weniger als etwa 30 (0,0157 Zoll) bis etwa 8 (0,161 Zoll) liegen.
Bei bestimmten Ausführungsformen besitzen die Bleche eine
Dicke zwischen etwa 0,002 Zoll bis etwa 0,02 Zoll. Es sei jedoch
zu verstehen, dass gegebenenfalls auch Bleche mit anderen Dicken
verwendet werden können. Es sei ferner zu verstehen, dass
auch andere Materialien verwendet werden können. Als nicht
beschränkende Beispiele kann die Bipolarplatte 8 Graphit
oder Graphit gefülltes Polymer umfassen.
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Eine
Innenseite 224 der ersten Unipolarplatte 200 ist
in 2 gezeigt. In der Innenseite 224 ist eine
Vielzahl von Rippen 226 geformt, die dazwischen eine Vielzahl
von Kanälen 228 definieren, durch die Kühlmittel
von einer ersten Seite 230 der Bipolarplatte zu einer zweiten
Seite 232 strömt. Die Unterseite der Unipolarplatte 200 weist
auch eine Vielzahl von Rippen (nicht gezeigt) auf, die dazwischen
eine Vielzahl von Kanälen (nicht gezeigt) definieren, durch
die Kühlmittel während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 2 gelangt.
Es sei angemerkt, dass die Unterseite der Unipolarplatte 200 auch
flach sein kann. Somit bilden die Kanäle 228 Kühlmittelströmungsfelder
in einem Innenvolumen, das durch die Unipolarplatten 200, 202 definiert
ist.
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Die
zweite Unipolarplatte 202 besitzt eine erste aktive Fläche 204 an
einer Außenfläche derselben, die einer Membranelektrodenanordnung
(nicht gezeigt) gegenüberliegt, und ist so geformt, dass
sie ein Strömungsfeld 206 vorsieht. Das Strömungsfeld 206 ist
durch eine Vielzahl von Stegen 208 definiert. Die Vielzahl
von Stegen 208 definiert dazwischen eine Vielzahl von Strömungskanälen 210,
die das "Strömungsfeld" bilden, durch das die Reaktandengase
in einem mäandrierenden Pfad von einem ersten Ende 212 der
Bipolarplatte zu einem zweiten Ende 214 derselben strömen.
Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist,
grenzen die Stege 208 an die aus porösem Material
bestehenden Kohlenstoff/Graphit-Papiere 36, 38 an,
die ihrerseits an den MEAs 4, 6 angrenzen.
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Typischerweise
bedecken die Stege 208 und die Strömungskanäle 210 die
Außenfläche der Unipolarplatten 200, 202,
die an den Kohlenstoff/Graphit-Papieren 36, 38 angrenzen.
Das Reaktandengas wird an die Strömungskanäle 210 von
Versorgungsdurchlässen 216, 217 geliefert,
die in einer an dem ersten Ende 212 der Bipolarplatte 8 angeordneten
Einlasssammelleitung 218, 219 geformt sind, und verlässt
die Strömungskanäle 210 über
Austrittsdurchlässe 220, 221, die in
einer an dem zweiten Ende 214 der Bipolarplatte angeordneten
Auslasssammelleitung 222, 223 geformt sind.
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Es
sei zu verstehen, dass eine Außenstruktur der Unipolarplatte 200 im
Wesentlichen einem Äußeren der Unipolarplatte 202 entspricht.
Beispielsweise besitzt die Außenseite der Unipolarplatte 200 wie
die Unipolarplatte 202 eine aktive Fläche (nicht gezeigt).
Die Unipolarplatte 200 ist geformt, um ein Strömungsfeld 234 vorzusehen.
Das Strömungsfeld 234 ist durch eine Vielzahl
von daran geformten Stegen (nicht gezeigt) definiert, die eine Vielzahl
von Strömungskanälen (nicht gezeigt) definieren, die
das Strömungsfeld 234 bilden, durch das die Reaktandengase
gelangen.
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Die
Unipolarplatten 200, 202 besitzen ferner Austragsöffnungen 236, 237,
die in den Auslasssammelleitungen 222, 223 geformt
sind. Die Austragsöffnungen 236, 237 bilden
einen Austragsverteiler 402 (in 4 gezeigt)
in der ausgerichteten und zusammengebauten Bipolarplatte 8,
der einen Durchgang für Austragsreaktanden und Reaktionsprodukte,
beispielsweise Wasser und Wasserdampf, vorsieht, die den Brennstoffzellenstapel 2 verlassen.
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Wie
in 3 und in 4 gezeigt
ist, kann die Austragsöffnung 236 der ersten Unipolarplatte 200 einen
um den Umfang verlaufenden abgeschrägten Rand 300 aufweisen.
Der abgeschrägte Rand 300 steht in Verbindung
mit der aktiven Fläche 204. Als ein nicht beschränkendes
Beispiel kann der abgeschrägte Rand 300 mit der
aktiven Fläche 204 über Mikrokanäle 302 kommunizieren,
die in der Unipolarplatte 200 geformt und zwischen den
Auslassdurchlässen 220 und der Austragsöffnung 236 angeordnet
sind. Die Mikrokanäle 302 dienen dazu, Wasser
direkt von der aktiven Fläche 204, insbesondere nahe
dem zweiten Ende 214 zu transportieren, wo der Druck von
dem Reaktandengas geringer ist und sich typischerweise ein Film
aus stagnierendem Wasser bilden kann.
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Typischerweise
sind die Unipolarplatten 200, 202 beispielsweise
durch einen Klebstoff miteinander verbunden, um die zusammengebaute
Bipolarplatte 8 zu bilden. Das Verbinden kann beispielsweise durch
Hartlöten, Diffusionsbonden, Laserschweißen oder
Verkleben mit einem leitenden Klebstoff erreicht werden, wie es
in der Technik gut bekannt ist. Geeignete Binder 400 sind
dem Fachmann bekannt und können nach Bedarf gewählt
werden.
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Beim
Verbinden sei zu verstehen, dass der abgeschrägte Rand 300 einen
Wasserentfernungskanal 405 bildet. Beispielsweise wird,
wie in 4 gezeigt ist, die erste Unipolarplatte 200 mit
dem Binder 400 mit der zweiten Unipolarplatte 202 verbunden.
Die Bipolarplatte 8 weist einen Austragsverteiler 402 auf,
der durch die Austragsöffnungen 236, 237 geformt
ist, die in den Unipolarplatten 200, 202 angeordnet
sind. Die Austragsöffnung 236 der ersten Unipolarplatte 200,
die den abgeschrägten Rand 300 besitzt, ist mit
einer nicht abgeschrägten Fläche 404 der zweiten
Unipolarplatte 202 verbunden, um den Wasserentfernungskanal 405 zu
bilden. Bei einigen Ausführungsformen, insbesondere, wenn
die Fläche der zweiten Unipolarplatte 202 nicht
abgeschrägt ist, ist der Wasserentfernungskanal 405 im
Wesentlichen V-förmig oder eine Dreiecknut.
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Bei
anderen Ausführungsformen können die erste und
zweite Unipolarplatte 200, 202 die Austragsöffnungen 236, 237 mit
dem abgeschrägten Rand 300 aufweisen. Es sei jedoch
angemerkt, dass es zur Vereinfachung der Herstellung erwünscht
sein kann, nur die einzelne abgeschrägte Austragsöffnung 236, 237 zu
haben.
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Die
Form des Wasserentfernungskanals 405 bewirkt eine kapillar
angetriebene Strömung von Wasser von der aktiven Fläche 204.
Wasser in dem Wasserentfernungskanal 405 breitet sich entlang
der Fläche in einem Prozess aus, der als spontane Benetzung
oder spontane Imbibition bzw. spontanes Aufsaugen bezeichnet ist.
Dieser Prozess, der mit offenen Kapillaren in Verbindung steht,
die durch V-förmige oder dreieckige Oberflächennuten
erzeugt werden, ist beispielsweise in Rye et al., Langmuir,
12: 555–565 (1996) beschrieben, das hier durch
Bezugnahme eingeschlossen ist. Die physikalischen Anforderungen,
um eine spontane Benetzung in den Ecken eines Strömungskanals
zu unterstützen, sind durch die Concus-Finn-Bedingung β + α/2 < 90° gekennzeichnet,
wobei β ein statischer Kontaktwinkel ist, der zwischen
einer Flüssigkeitsfläche und einer Festkörperfläche
gebildet ist. α ist der Kanaleckenwinkel 406 und
stellt bei bestimmten Ausführungsformen den Winkel dar,
der durch die Überschneidung des abgeschrägten
Randes 300 der ersten Unipolarplatte 200 mit der
nicht abgeschrägten Fläche 404 der zweiten
Unipolarplatte 202 gebildet wird. Der statische Kontaktwinkel
ist eine Eigenschaft, die für eine bestimmte Fläche
und ein bestimmtes Material spezifisch ist und die experimentell
bestimmt wird, beispielsweise durch Anordnen eines Flüssigkeitströpfchens
auf der Fläche und Aufzeichnen, wann der Gleichgewichtszustand
erfüllt ist, d. h. wenn keine weitere Ausbreitung des Tröpfchens
erfolgt. Die Kontaktwinkelablesung, die bei dieser Bedingung bestimmt
wird und typischerweise geometrisch als der Winkel definiert ist,
der durch den Flüssigkeitstropfen an der Dreiphasengrenze
gebildet ist, an denen sich die Flüssigkeit, die Luft und
die Fläche überschneiden, ist der statische Kontaktwinkel.
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Als
ein nicht beschränkendes Beispiel besitzt ein rechtwinkliger
Kanal ein α/2 von 45°, was angibt, dass eine spontane
Benetzung auftritt, wenn der statische Kontaktwinkel kleiner als
45° ist. Bei bestimmten Ausführungsformen der
Erfindung, die hier beschrieben sind, ist der Wasserentfernungskanal 405 dreieckig
und besitzt ein β + α/2 < 90°, wodurch die Concus-Finn-Bedingung
erfüllt wird. Der Veranschaulichung halber kann die Dreiecksform
des Wasserentfernungskanals 405 einen spitzen Winkel besitzen.
Somit wird Wasser, das entlang der Strömungskanäle 210 in
Verbindung mit dem Wasserentfernungskanal 405 transportiert
wird, durch Kapillarkraft in einen unteren Bereich und entlang einer
Länge 301 des dreieckigen Wasserentfernungskanals 405 transportiert.
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Es
sei zu verstehen, dass aus Gründen, die oben in Bezug auf
die Kapillarfunktion des Wasserentfernungskanals 405 vorgesehen
sind, die durch die Verbindung der Unipolarplatten 200, 202 gebildete
Verbindungsstelle im Wesentlichen spitz sein sollte, d. h. der Winkel
sollte an einem diskreten Punkt enden und nicht gerundet sein. Die
Verbindung eines abgeschrägten Randes 300 mit
einem nicht abgeschrägten Rand 404, wie hier beschrieben
ist, kann einen im Wesentlichen spitzen Winkel vorsehen. Alternative
Verfahren, die einen derartigen im Wesentlichen spitzen Winkel vorsehen,
können ebenfalls verwendet werden.
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Unter
neuerlichem Bezug auf 3 kann eine Querschnittsfläche
des Wasserentfernungskanals 405 entlang einer Länge 301 des
Kanals 405, der durch den abgeschrägten Rand 300 geformt
wird, reduziert werden, wodurch ein Volumen des Kanals 405 entlang
der Länge 301 im Wesentlichen geändert
wird. Typischerweise nimmt das Volumen des Kanals 405 in
der Richtung des Drainageabschnittes 304 ab. Es sei zu
verstehen, dass eine derartige Abnahme des Volumens des Kanals 405 wirksam
sein kann, um die Rate der Kapillarströmung von der aktiven
Fläche 204 zu erhöhen. Die Abnahme der
Querschnittsfläche kann beispielsweise durch Verringerung
des Kanaleckenwinkels 406 bewirkt werden. Die Abnahme kann
entlang der Länge des Wasserentfernungskanals 405 kontinuierlich
sein oder kann diskontinuierlich sein und beispielsweise diskrete Stufen
entlang der Länge des Kanals 405 umfassen. Bei
anderen Ausführungsformen kann die Querschnittsfläche
des Kanals 405 durch Abflachen des Kanals 405 beispielsweise
mit einem angewinkelten Einsatz reduziert werden. Es sei zu verstehen,
dass der Kanaleckenwinkel 406 jedoch im Wesentlichen spitz
bleiben sollte, um so die durch die Concus-Finn-Bedingung bestimmte
kapillarbetriebene Strömung zu begünstigen.
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Das
Wasser, das durch den Wasserentfernungskanal 405 der vorliegenden
Offenbarung spontan aufgesaugt wird, kann Tröpfchen bilden,
die aus dem Brennstoffzellenstapel 2 über den
Austragsverteiler 402 transportiert werden. Mit neuerlichem
Bezug auf die 2 und 3 können
die Austragsöffnungen 236, 237 den Drainageabschnitt 304 in
Verbindung mit dem abgeschrägten Rand 300 aufweisen.
Bei Ausrichtung und Bindung der ersten Unipolarplatte 200 an
die zweite Unipolarplatte 202 bildet der Drainageabschnitt 304 eine
Drainageleitung 306 in Verbindung mit dem Wasserentfernungskanal 405. Die
Drainageleitung 306 sieht einen Austritt für Wasser
vor, das durch Kapillarströmung in den Wasserentfernungskanal 405 getrieben
wird, wodurch verhindert wird, dass der Wasserentfernungskanal 405 vollständig
gefüllt wird, und für eine kontinuierliche Entfernung
von Wasser aus dem zweiten Ende 214 der aktiven Fläche 204 gesorgt
wird.
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Der
Wasserentfernungskanal 405 und/oder die Drainageleitung 306 können
so behandelt sein, um ihre Hydrophilie zu erhöhen und eine
Wasserentfernung zu steigern. Eine derartige Behandlung kann die
Aufbringung einer hydrophilen Beschichtung aufweisen. Geeignete
hydrophile Beschichtungen sind beispielsweise in den ebenfalls anhängigen
U.S.-Patentanmeldungen Seriennummern 11/068,489, 11/463,386 und
11/463,384 beschrieben, die hier durch Bezugnahme eingeschlossen
sind.
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Als
nicht beschränkende Beispiele kann die hydrophile Beschichtung
zumindest eine Si-O-Gruppe, zumindest eine polare Gruppe und zumindest eine
Gruppe aufweisen, die eine gesättigte oder ungesättigte
Kohlenstoffkette aufweist. Bei weiteren Ausführungsformen
umfasst die Beschichtung zumindest eine Si-O-Gruppe und eine Si-R-Gruppe, wobei
R eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoffkette
aufweist und das Molverhältnis von Si-R-Gruppen zu Si-O-Gruppen
im Bereich von 1/8 bis 1/2 liegt. Die hydrophile Beschichtung kann
auch durch ein beliebiges Mittel aufgebracht werden, das zur Aufbringung
hydrophiler Beschichtungen geeignet ist. Beispielsweise kann eine
Beschichtung unter Verwendung eines plasmaunterstützten
chemischen Abscheidungsprozesses abgeschieden werden, der ein Vorläufergas,
beispielsweise ein Siloxangas, und ein weiteres zweites Gas, beispielsweise
Sauerstoff, aufweist. Geeignete hydrophile Beschichtungen können
auch Nanopartikel aufweisen, die eine Größe im Bereich
von 1 bis 100 Nanometer besitzen, wobei die Nanopartikel eine Verbindung
umfassen, die eine Si-O-Gruppe, eine gesättigte oder ungesättigte
Kohlenstoffkette und eine polare Gruppe umfasst. Es sei angemerkt,
dass auch andere hydrophile Beschichtungen verwendet werden können.
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Eine
Fläche des Wasserentfernungskanals 405 und/oder
der Drainageleitung 306 kann strukturiert sein, um eine
erhöhte Hydrophilie bereitzustellen. Oberflächenstrukturen
können eine matte Oberflächenbeschaffenheit aufweisen,
wie beispielsweise durch Sandstrahlen. Muster können auch
beispielsweise chemisch geätzt werden, um einen gewünschten
Grad an Rauheit bereitzustellen. Ferner kann die Oberfläche
des Wasserentfernungskanals 405 und/oder der Drainageleitung 306 eine
Mikroriffelung oder Mikrokanäle aufweisen. Für
den Fachmann sei wiederum angemerkt, dass auch andere Oberflächenstrukturen,
die eine erhöhte Hydrophilie bereitstellen, verwendet werden
können.
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5 zeigt eine Richtung der Wasserströmung 500 durch
die in der Unipolarplatte 200 geformten Mikrokanäle 302 und
entlang der Länge 301 des abgeschrägten
Randes 300, der den Wasserentfernungskanal 405 bildet.
Typischerweise wird flüssiges Wasser, das die Unipolarplatte 200 verlässt,
durch Kapillarwirkung in den durch den abgeschrägten Rand 300 geformten
Wasserentfernungskanal 405 gesaugt. Anschließend
gleicht sich das flüssige Wasser in dem Wasserentfernungskanal 405 auf
eine Dicke aus, wodurch schließlich ein Kontakt mit der
Drainageleitung 306 hergestellt wird, wo das Wasser unter
Schwerkraft abläuft, wenn sich der Wasserentfernungskanal 405 füllt.
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Ferner
ist in 5 eine Säule 502 dargestellt,
die in der Drainageleitung 306 angeordnet ist. Die Säule 502 steht
mit den Drainageabschnitten 304 in den Bipolarplatten 8 in
Kontakt und umfasst ein hydrophiles Material, das eine Wasserentfernung
von dem Wasserentfernungskanal 405 erleichtert. Die Säule 502 wird
bei Kontakt mit Wasser typischerweise benetzt und sieht eine Fläche
vor, damit das Wasser von dem Brennstoffzellenstapel 2 ablaufen
kann. Es sei angemerkt, dass das hydrophile Material auch elektrisch
nichtleitend ist, um so einen Kurzschluss des Brennstoffzellenstapels 2 zu
vermeiden. Nicht beschränkende Beispiele von geeignetem
hydrophilem Material können Kunststoffe, Elastomere, Keramiken
und Gläser umfassen. Bei bestimmten Ausführungsformen
werden nachgiebige Materialien, wie Kunststoffe und Elastomere,
angesichts der Expansion und Kontraktion verwendet, die in dem Brennstoffzellenstapel 8 beim
Normalbetrieb auftreten können. Ein Beispiel eines geeigneten
Kunststoffs ist Delrin®, ein Acetal-Polyoxymethylen-(POM)-Harz,
das von der E. I. du Pont de Nemours und Company erhältlich ist.
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Das
hydrophile Material kann auch porös sein, beispielsweise
gesinterte Kunststoffe oder Schaumelastomere. Das hydrophile Material
kann auch faserig sein. Bei bestimmten Ausführungsformen
umfasst das hydrophile Material ein Bündel aus Fasern,
die, wenn sie miteinander verflochten oder verdrillt sind, dazu
verwendet werden, Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel 2 zu
ziehen.
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Der
Fachmann sollte ferner verstehen, dass die beschriebenen Wasserentfernungsmechanismen,
beispielsweise der Wasserentfernungskanal 405 und die Drainageleitung 306,
in Verbindung mit anderen Mitteln zur Entfernung von Wasser, wie
in der Technik bekannt ist, verwendet werden können.
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Die
Bipolarplatte 8 der vorliegenden Offenbarung hält
einen Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 2 aufrecht,
da Wasser durch Kapillarkraft von den Auslassgebieten des Brennstoffzellenstapels 2 gesaugt
wird. Die Wasserentfernung durch Kapillarkraft wirkt nicht als eine
parasitäre Last auf den Brennstoffzellenstapel 2.
Eine derartige Wasserentfernung erfordert auch keine Verringerung
der Einlassbefeuchtung, von der bekannt ist, dass sie einen Trocknungseffekt
auf die Membranelektrolytanordnungen 4, 6 der
einzelnen Zellen besitzt. Eine Gefrierhaltbarkeit des Brennstoffzellenstapels 2 wird ebenfalls
maximiert, da der Wasserentfernungskanal 405 einer Wasserstagnation
in den Auslassgebieten des Brennstoffzellenstapels 2 entgegenwirkt,
wo das Wasser ansonsten unter sehr kalten Bedingungen gefrieren
könnte. Die Bipolarplatte 8 minimiert eine Fehlverteilung
von Wasser über den Brennstoffzellenstapel 2,
die typischerweise durch Wasserstagnation und Blockierung der Strömungskanäle 210 bewirkt
wird. Eine derartige verbesserte Verteilung von Wasser maximiert
die Stabilität und optimiert die Gesamtleistungsfähigkeit
des Brennstoffzellenstapels 2.
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Während
bestimmte repräsentative Ausführungsformen und
Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt
worden sind, ist es dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen
ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt
werden können, der ferner in den folgenden angefügten
Ansprüchen beschrieben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Rye et al.,
Langmuir, 12: 555–565 (1996) [0033]