DE102008003608A1 - Wasserentfernungskanal für Sammelleitungen von PEM-Brennstoffzellenstapeln - Google Patents

Wasserentfernungskanal für Sammelleitungen von PEM-Brennstoffzellenstapeln Download PDF

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Abstract

Es ist eine Biopolarplatte für eine Brennstoffzelle offenbart, die eine erste Unipolarplatte besitzt, die eine aktive Fläche mit einer Vielzahl von darin geformten Strömungsfeldkanälen besitzt. Die erste Unipolarplatte weist ferner eine Einlasssammelleitung, die an einem ersten Ende der Unipolarplatte angeordnet ist und in Verbindung mit der aktiven Fläche steht, und eine Auslasssammelleitung auf, die an einem zweiten Ende der Unipolarplatte angeordnet ist und eine hindurchgeformte Austragsöffnung besitzt. Ein Umfangsrand der Austragsöffnung ist abgeschrägt und steht ebenfalls in Verbindung mit der aktiven Fläche. Die abgeschrägte Austragsöffnung bildet einen Wasserentfernungskanal in der Bipolarplatte. Es ist auch ein Brennstoffzellenstapel, der die Bipolarplatte aufweist, offenbart.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere ein Mittel zur Wasserentfernung von Bipolarplatten in einer Brennstoffzellenanordnung.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Wasserentfernungskanal bewirkt eine kapillargetriebene Strömung von flüssigem Wasser von der aktiven Fläche.
  • 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.
  • ZEICHNUNGEN
  • 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.
  • 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels (es sind nur zwei Zellen gezeigt);
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung einer veranschaulichenden Bipolarplatte, die aus einem Paar von Unipolarplatten zusammengebaut ist, zur Verwendung in PEM-Brennstoffzellenstapeln;
  • 3 ist eine bruchstückhafte Ansicht der in 2 gezeigten Unipolarplatten;
  • 4 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht eines Austragsverteilers der in 2 gezeigten Bipolarplatte; und
  • 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.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Rye et al., Langmuir, 12: 555–565 (1996) [0033]

Claims (20)

  1. Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, mit: einer ersten Unipolarplatte und einer zweiten Unipolarplatte, wobei zumindest eine der ersten und zweiten Unipolarplatten eine aktive Fläche mit einem darin geformten Strömungsfeld besitzt; einer Einlasssammelleitung, die an einem ersten Ende der ersten Unipolarplatte und in Verbindung mit der aktiven Fläche angeordnet ist; einer Auslasssammelleitung, die an einem zweiten Ende der ersten Unipolarplatte angeordnet ist und eine hindurch geformte Austragsöffnung aufweist, wobei ein Umfangsrand der Austragsöffnung abgeschrägt ist und in Verbindung mit der aktiven Fläche steht.
  2. Bipolarplatte nach Anspruch 1, wobei die erste Unipolarplatte mit der zweiten Unipolarplatte verbunden ist, wobei eine Fläche der zweiten Unipolarplatte mit dem abgeschrägten Umfangsrand zusammenwirkt, um einen Wasserentfernungskanal zu bilden.
  3. Bipolarplatte nach Anspruch 2, wobei der Wasserentfernungskanal eine Dreiecknut ist.
  4. Bipolarplatte nach Anspruch 2, wobei die Austragsöffnung ferner einen Drainageabschnitt in Verbindung mit dem Wasserentfernungskanal aufweist.
  5. Bipolarplatte nach Anspruch 2, wobei der Wasserentfernungskanal eine darauf angeordnete hydrophile Beschichtung aufweist.
  6. Bipolarplatte nach Anspruch 2, wobei eine Fläche des Wasserentfernungskanals strukturiert ist.
  7. Bipolarplatte nach Anspruch 2, wobei der Wasserentfernungskanal einen spitzen Eckenwinkel besitzt.
  8. Bipolarplatte nach Anspruch 7, wobei der Wasserentfernungskanal einen statischen Kontaktwinkel und einen Abschrägungswinkel besitzt, wobei die Summe des statischen Kontaktwinkels und einer Hälfte des Kanalwinkels kleiner als 90 Grad ist.
  9. Bipolarplatte nach Anspruch 4, wobei eine Querschnittsfläche des Wasserentfernungskanals entlang einer Länge des Wasserentfernungskanals abnimmt.
  10. Bipolarplatte nach Anspruch 9, wobei die Abnahme der Querschnittsfläche kontinuierlich ist.
  11. Brennstoffzellenstapel, mit: zumindest einer Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenanordnung besitzt, die zwischen einem Paar von Bipolarplatten angeordnet ist, wobei jede Bipolarplatte eine aktive Fläche mit einem darin geformten Strömungsfeld besitzt; und einem Austragsverteiler, der durch eine Austragsöffnung in jeder Bipolarplatte geformt ist, wobei der Austragsverteiler einen Wasserentfernungskanal aufweist; wobei der Wasserentfernungskanal in Verbindung mit der aktiven Fläche steht und eine kapillar angetriebene Strömung von Wasser von der aktiven Fläche bewirkt.
  12. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 11, ferner mit einer Drainageleitung in Verbindung mit dem Wasserentfernungskanal.
  13. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die Drainageleitung durch eine Austragsöffnung in jeder Bipolarplatte geformt ist.
  14. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, wobei die Drainageleitung eine daran angeordnete hydrophile Beschichtung aufweist.
  15. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, wobei eine Fläche der Drainageleitung strukturiert ist.
  16. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, wobei die Drainageleitung eine Säule aus hydrophilem Material aufweist.
  17. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei das hydrophile Material porös ist.
  18. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei das hydrophile Material aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Kunststoffe, Elastomere, Keramiken und Gläser.
  19. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 18, wobei der Kunststoff Polyoxymethylen aufweist.
  20. Brennstoffzellenstapel, mit: zumindest einer Brennstoffzelle, die eine Membranelektrodenanordnung besitzt, die zwischen einem Paar von Bipolarplatten angeordnet ist, wobei jede Bipolarplatte eine aktive Fläche mit einem darin geformten Strömungsfeld besitzt; einem Austragsverteiler, der durch eine Austragsöffnung in jeder Bipolarplatte geformt ist, wobei der Austragsverteiler einen dreieckigen Wasserentfernungskanal aufweist; und einer Drainageleitung, die durch die Austragsöffnung in jeder Bipolarplatte geformt ist und in Verbindung mit dem Wasserentfernungskanal steht, wobei die Drainageleitung eine Säule aus hydrophilem Material besitzt; wobei der Wasserentfernungskanal in Verbindung mit der aktiven Fläche steht und eine kapillar angetriebene Strömung von Wasser von der aktiven Fläche zu der Drainageleitung bewirkt, wodurch einer Ansammlung von Wasser in einem Strömungsfeldkanal während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels entgegengewirkt wird.
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