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HINTERGRUND
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1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode für eine Brennstoffzelle,
auf eine Membranelektrodenanordnung und auf ein Brennstoffzellensystem,
das diese Elektrode aufweist.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Bei
den schnellen Veränderungen
von elektronischen Apparaten hin zu kleineren Produkten, die eine
größere Gebrauchsvielfalt
aufweisen, besteht ein neues Gebiet, auf das sich die Forschungsanstrengungen
konzentrieren, darin, bei Energieversorgungseinrichtungen den Forderungen
nach einem höheren
Wirkungsgrad und einer längeren
Laufzeit gerecht zu werden. Dementsprechend erhöht sich die Bedeutung der Brennstoffzelle,
die chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt als ein
neues alternatives Verfahren, um so den Wirkungsgrad und die Laufzeit
zu erhöhen.
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Die
Brennstoffzelle ist ein System zur Gewinnung von Energie, bei dem
die chemische Reaktionsenergie von Wasserstoff und Sauerstoff, die
in Substanzen auf der Basis von Kohlenwasserstoff enthalten ist,
wie zum Beispiel in Methanol, Ethanol und natürlichen Gasen, direkt in elektrische
Energie umgewandelt wird.
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Eine
Brennstoffzelle kann entsprechend der Art des eingesetzten Elektrolyten
in eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle,
eine Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle, eine oxidkeramische Brennstoffzelle,
eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle oder eine Kalilauge-Brennstoffzelle eingeteilt
werden. Obwohl eine jede dieser Brennstoffzellen nach dem gleichen
Prinzip betrieben wird, unterscheidet sie sich nach dem verwendeten
Brennstoff, der Betriebstemperatur, dem Katalysator, dem Elektrolyt usw.
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Unter
diesen weist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (polymer
electrolyte membrane fuel cell = PEMFC) hervorragende Leistungsmerkmale
und eine niedrige Betriebstemperatur und ebenso schnelle Aktivierungs-
und Ansprechmerkmale auf. Sie hat somit einen weiten Anwendungsbereich,
der nicht nur bewegliche Stromquellen, wie zum Beispiel die in Fahrzeugen
eingesetzten, umfasst, sondern auch verteilte Energiequellen, wie zum
Beispiel in Häusern
und öffentlichen
Gebäuden und
ebenso Miniatur-Stromquellen, wie zum Beispiel in elektronischen
Apparaten.
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In
einer Brennstoffzelle sind Wasserstoff und Brennstoff an der Anode
bereitgestellt, während
ein Oxidationsmittel an der Kathode bereitgestellt wird. Hierbei
findet eine Oxidationsreaktion des Wasserstoffs oder des Brennstoffs
an der Anode statt und eine Reduktionsreaktion des Oxidationsmittels
an der Anode. Die Bewegung der so erzeugten Elektronen führt zu Elektrizität, wobei
Wärme und
Wasser als Nebenprodukte entstehen.
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Das
entstandene Wasser muss unmittelbar durch einen Auslass entfernt
werden, da es dann, wenn es nicht entfernt wird, nicht nur der Eingangsdruck
des Sauerstoffs allmählich
ansteigen kann, sonder es kann auch der Wasseranteil in der Polymerelektrolytmembran
innerhalb der Membranelektrodenanordnung ansteigen.
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Um
somit das entstehende Wasser abzuführen, wird bei einer PEMFC
oder einer direkten Methanol-Brennstoffzelle (direct methanol fuel
cell = DMFC) die Technik mit einer Abführung unter gesteuertem Druck
unter Einsatz eines Gebläses
angewandt. Indessen kann bei einer Abfürung unter gesteuertem Druck
der Wirkungsgrad umgekehrt proportional zu der Größe des Aufbaus
sinken und zwar wegen des höheren
Strömungswiderstandes
in Mikrokanälen
oder Mikrostrukturen durch das relative Anwachsen in dem Kontaktbereich
zwischen dem Fluid und den Wänden.
Außerdem
kann die Kraft, die durch einen Lüfter oder ein Gebläse erzeugt
wird, das in einer Mikro-Brennstoffzelle angebracht ist, signifikant
klein werden verglichen mit den Kapillarkräften, wenn dies in einer Mikrostruktur
eingesetzt wird.
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Deshalb
sind Untersuchungen über
Stoßfaktoren
erforderlich, die die Kapillarkräfte
maximieren oder minimieren und die durch die Arbeitsbedingungen
von Miniaturbrennstoffzellen eine ungewöhnliche Strömung bewirken; außerdem besteht
Bedarf daran, das in einer Brennstoffzelle entstehende Wasser wirksam
abzuführen
ohne dass zusätzliche
Einrichtungen notwendig sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Elektrode für eine Brennstoffzelle
zur Verfügung
zu stellen sowie eine Membranelektrodenanordnung, sowie ein Brennstoffzellensystem,
das diese Elektrode aufweist, durch die eine verbesserte Miniaturisierung
und eine erhöhter
Wirkungsgrad ermöglicht wird,
da das aus der Brennstoffzelle zu entfernende Wasser von der Luft
getrennt werden kann.
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Ein
Aspekt der beanspruchten Erfindung sieht eine Elektrode für eine Brennstoffzelle
vor, die ein Elektrodenträgermaterial
aufweist, sowie einen ersten in dem Elektrodenträger-material ausgebildeten
Kanal, sowie eine erste hydrophile Grenzfläche, die auf der Innenfläche auf
einer Seite des ersten Flüssigkeit
führenden
Kanals ausgebildet ist und eine erste hydrophobe Grenzfläche, die
der ersten hydrophilen und Gas führenden
Grenzfläche
zugewandt ist.
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Ein
anderer Aspekt der beanspruchten Erfindung sieht eine Membranelektrodenanordnung
vor, die eine Membran aufweist, eine Brennstoffelektrode, die mit
einer Seite der Brennstoff oxidierenden Membran verbunden ist und
eine Luftelektrode, die mit der anderen Seite der Membran verbunden
ist und die ein Oxidationsmittel reduziert, wobei wenigstens eine der
Brennstoffelektroden und die Luftelektrode ein Elektrodenträgermaterial
aufweist, sowie einen ersten in dem Elektrodenträgermaterial ausgebildeten Kanal,
eine erste hydrophile Grenzfläche,
die auf einer Innenfläche
auf einer Seite des ersten Flüssigkeit führenden
Kanals ausgebildet ist und eine erste hydrophobe Grenzfläche, die
der ersten hydrophilen und Gas führenden
Grenzfläche
zugewandt ist.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor,
das eine Membranelektrodenanordnung aufweist, die wiederum eine
Membran umfasst, sowie eine Brennstoffelektrode, die mit einer Seite
der Brennstoff oxidierenden Membran verbunden ist und eine Luftelektrode,
die mit der anderen Seite einer ein Oxidationsmittel reduzierenden Membran
verbunden ist, weiter einen oder mehrere Abscheider, die auf jeder
Seite der Membranelektrodenanordnung angeordnet sind, wobei jeder
eine Gasleitung aufweisen kann; außerdem ist ein Brennstoff zuführender
Teil vorgesehen, der der Brennstoffelektrode Brennstoff zuführt und
ein Oxidationsmittel zuführender
Teil, der ein Oxidationsmittel zu der Luftelektrode führt, wobei
wenigstens eine der Brennstoffelektroden und die Luftelektrode Elektrodenträgermaterial
aufweisen und einen in dem Elektrodenträgermaterial ausgebildeten ersten
Kanal sowie eine hydrophile Grenzfläche, die auf der Innenseite
und auf einer Seite des ersten Flüssigkeit führenden Kanals ausgebildet
ist und eine erste hydrophobe Grenzfläche, die der ersten hydrophilen
Grenzfläche zugewandt
ist und die Gase führt.
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Gewisse
Ausführungsformen
der beanspruchten Erfindung können
eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
Die Dicke
des ersten Kanals kann 100 bis 110 μm betragen; es können auch
ein zweiter und ein dritter Kanal vorgesehen sein, die von einem
Ende des ersten Kanals abzweigen.
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Es
kann zusätzlich
eine zweite hydrophobe Grenzfläche
vorgesehen sein, die auf einer Innenseite und auf einer Seite des
zweiten Kanals ausgebildet sein kann und die mit der ersten hydrophoben
Grenzfläche
verbunden ist, wobei zusätzlich
eine zweite hydrophile Grenzfläche
vorhanden sein kann, die Flüssigkeiten
führt und
die auf einer Innenseite und auf der anderen Seite des zweiten Kanals
vorgesehen sein kann und der zweiten hydrophoben Grenzfläche zugewandt
ist.
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Zusätzlich kann
auch eine dritte hydrophile Grenzfläche vorgesehen sein, die auf
einer Innenseite und auf einer Seite des dritten Kanals ausgebildet ist
und die mit der ersten hydrophilen Grenzfläche verbunden ist, und es kann
zusätzlich
eine dritte hydrophobe Grenzfläche
vorgesehen sein, die Gase führt
und die auf einer Innenseite und auf der anderen Seite des dritten
Kanals vorgesehen sein kann und die dem dritten hydrophilen Kanal
zugewandt ist.
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Außerdem kann
ein vierter Kanal und ein fünfter
Kanal vorgesehen sein, die von einem Ende des zweiten Kanals abzweigen,
während
eine vierte hydrophobe Grenzfläche
vorgesehen sein kann, die auf einer Innenseite und auf einer Seite
des vierten Kanals ausgebildet sein kann und mit der zweiten hydrophoben
Grenzfläche
verbunden ist und/oder eine fünfte
hydrophile Grenzfläche,
die auf einer Innenseite und auf einer Seite des fünften Kanals
ausgebildet sein kann und mit der zweiten hydrophilen Grenzfläche verbunden
ist.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden teilweise
in der folgenden Beschreibung erläutert, werden teilweise aus
der Beschreibung deutlich oder ergeben sich aus der praktischen
Anwendung der Erfindung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Zeichnung, in der die Bewegung eines Flüssigkeitstropfens
auf einer hydrophilen und einer hydrophoben Grenzfläche dargestellt
ist;
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2 einen
Querschnitt, in dem der Kontaktwinkel eines Flüssigkeitstropfens auf einer
hydrophilen und einer hydrophoben Grenzfläche dargestellt ist;
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3 ein
Strömungsschema,
in dem die Trennung von Gas-Flüssigkeit
an einer Elektrode für eine
Brennstoffzelle gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der beanspruchten Erfindung dargestellt ist;
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4 einen
Querschnitt, in dem die Trennung von Gas-Flüssigkeit an einer Elektrode
für eine Brennstoffzelle
gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der beanspruchten Erfindung dargestellt ist;
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5 eine
Draufsicht auf eine Elektrode der in 4 gezeigte
Brennstoffzellen;
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6 eine
perspektivische Explosionsdarstellung eines Zellenbausteins einer
Brennstoffzelle; und
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7 eine
schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, das eine
Elektrode aufweist, die auf einem Aspekt der beanspruchten Erfindung
aufgebaut ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Eine
Elektrode für
eine Brennstoffzelle, eine Membranelektrodenanordnung und ein Brennstoffzellensystem,
das gemäß bestimmten
Ausführungsbeispielen
der Erfindung diese Elektrode aufweist, wird im Folgenden detaillierter
und in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert, in denen die gleichen oder
sich entsprechende Komponenten die gleichen Bezugszeichen erhalten,
ohne Rücksicht
auf die Nummerierung der Figuren, um überflüssige Erklärungen zu vermeiden.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der Bewegung eines Flüssigkeitstropfens
auf einer hydrophilen und einer hydrophoben Grenzfläche und 2 einen
Querschnitt zur Darstellung des Kontaktwinkels eines Flüssigkeitstropfens
auf einer hydrophilen und einer hydrophoben Grenzfläche. In
den 1 und 2 ist ein Flüssigkeitstropfen 1 dargestellt
sowie eine hydrophile Grenzfläche 2 und
eine hydrophobe Grenzfläche 3.
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Ein
Aspekt der beanspruchten Erfindung sieht eine Brennstoffzellenelektrode
und eine Membranelektrodenanordnung sowie ein Brennstoffzellensystem
mit dieser Elektrode vor, bei der der Anwendungsbereich von Mikrokanälen an der
Elektrode der Brennstoffzelle angepasst werden kann und die Oberflächeneigenschaften,
unterteilt in eine hydrophile und eine hydrophobe Grenzfläche, aufgesprüht werden
können,
wonach Wasser und Luft unter Einsatz kapillarer Kräfte voneinander
getrennt werden können,
um auf diese Weise die Miniaturisierung zu verbessern und den Wirkungsgrad
zu erhöhen.
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Wie
in den 1 und 2 gezeigt ist, ist der Kontaktwinkel,
der sich zwischen einem Tropfen und einer anderen Substanz bildet,
eine der Substanz innen wohnende Eigenschaft. Insbesondere dann,
wenn das Material, mit dem ein Kontakt hergestellt wird, unterschiedliche
Oberflächeneigenschaften
aufweist, wie dies in 2 dargestellt ist, weist der
Flüssigkeitstropfens 1 einen
unterschiedlichen Kontaktwinkel auf. Dies kann zu einem Phänomen führen, bei
dem der Flüssigkeitstropfen 1 in
eine besondere Richtung bewegt wird und zwar durch den Druckunterschied,
der durch die unterschiedliche Oberflächenspannung erzeugt wird,
wie dies in 1 dargestellt ist.
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Dieses
Phänomen
wird durch eine Art von Kapillarwirkung verursacht und wenn dabei
ein Flüssigkeitstropfen 1 mit
einer Oberfläche
in Kontakt gebracht wird, die eine hydrophile Grenzfläche 2 und eine
hydrophobe Grenzfläche 3 aufweist,
dann hat er die Tendenz, sich schnell zu der Oberfläche mit
der hydrophilen Grenzfläche 2 zu
bewegen. Wenn man dieses Phänomen
einsetzt und eine Oberflächenbehandlung
auf einem Mikrotubulus aufbringt, um eine hydrophile Grenzfläche 2 und
eine hydrophobe Grenzfläche 3 zu
erzeugen, dann kann das in den 1 und 2 gezeigte
Phänomen
reproduziert werden.
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Wenn
das oben beschriebene Phänomen
bei einer Elektrode einer Brennstoffzelle angewandt wird, dann kann
das an der Luftelektrode entstehende Wasser, d. h. der Kathode,
schnell von der Luft getrennt werden ohne die Verwendung einer zusätzlichen
Einrichtung, wodurch viele Anwendungsmöglichkeiten entstehen, nicht
nur bei tragbaren elektronischen Einrichtungen sondern auch bei
Vorrichtungen mit einer Stromquelle geringer Leistung.
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3 zeigt
ein Flussdiagramm, in dem die Gas-Flüssigkeitstrennung an einer
Elektrode für
eine Brennstoffzelle gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
beanspruchten Erfindung dargestellt ist. In 3 sind ein
Flüssigkeitstropfen 1,
hydrophile Grenzflächen 11, 21, 31,
hydrophobe Grenzflächen 12, 22, 32,
ein erster Kanal 10, ein zweiter Kanal 20 und
ein dritter Kanal 30 dargestellt.
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Eine
Brennstoffzellenelektrode kann allgemein aus einer Katalysatorschicht
hergestellt sein, die an elektrochemischen Reaktionen beteiligt
ist und einer Gasdiffusionsschicht, die die Katalysatorschicht trägt. Diese
Gasdiffusionsschicht kann in Berührung
mit Abscheidern ausgebildet sein, und kann dazu dienen, dass sie
Gase durchdringen und diese verteilt werden, um so Brennstoff oder
Reaktionsgase, wie zum Beispiel Luft, usw., gleichmäßig von
den Gasleitungen der Abscheider zu dem Katalysator in der Katalysatorschicht
zu leiten.
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Die
Gasdiffusionsschicht kann auch dazu dienen, dass sie Wasser durchdringt,
um auf diese Weise das Wasser, das durch die Reaktion in der Katalysatorschicht
entsteht, schnell zu den Gaskanälen abzuführen und
kann als ein Elektronenleiter dienen, um so während der Reaktion erforderliche
oder entstandene Elektronen zu leiten.
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Um
die oben beschriebenen Funktionen auszuführen, kann im Allgemeinen für die Gasdiffusionsschicht
ein poröses,
leitendes Substrat eingesetzt werden. Beispiele von Materialien, die
für das
Elektrodenträgermaterial
eingesetzt werden können
sind Kohlenstoffpapier, Kohlenstoffgewebe und Kohlenstoffvlies,
usw.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird unter Elektrodenträgermaterial
dasjenige verstanden, was die Katalysatorschicht und die Gasdiffusionsschicht umfasst.
Somit können
die bei diesem Ausführungsbeispiel
vorgesehenen Kanäle
in der Katalysatorschicht ausgebildet sein und/oder in der Gasdiffusionsschicht.
Die Kanäle
können
auch an der Außenstruktur
zur Trennung von Luft und Wasser anwendbar sein.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
kann, um den Feuchtigkeitsgehalt der Polymerelektrodenmembran konstant
zu halten und um das sich an der Kathode bildende Wasser leicht
abzuführen,
so dass eine Blockierung der Poren durch Wasser vermieden wird und
somit eine Brennstoffelektrode vorgesehen ist, die eine verbesserte
Stromdichte aufweist, ein hydrophiler Kanal in dem Elektrodenträgermaterial
ausgebildet sein, der eine hervorragende Wasserabtrennung ermöglicht.
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Mit
Bezug auf 3 wird im Folgenden die Bewegung
eines Flüssigkeitstropfens 1 infolge
eines Druckunterschiedes beschrieben, der durch unterschiedliche
Oberflächenspannung
infolge unterschiedlicher Kontaktwinkel des Flüssigkeitstropfens 1 auf
den hydrophilen Grenzflächen 11, 21, 31 und den
hydrophoben Grenzflächen 12, 22, 32 entsteht.
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Bei
einer Brennstoffzellenelektrode, die zur Ausbildung einer Brennstoffelektrode
und einer Luftelektrode in einer Brennstoffzelle eingesetzt wird, kann
das Elektrodenträger-material,
das die Elektroden bildet, mit einem ersten Kanal 10, einem
zweiten Kanal 20 und einem dritten Kanal 30 ausgebildet sein.
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Wie
in (a) der 3 gezeigt, kann der erste Kanal 10 eine
hydrophile Grenzfläche 11,
aufweisen, die auf einer Innenfläche
ausgebildet ist und die Flüssigkeiten
leitet und abführt,
d. h. bei diesem Ausführungsbeispiel
einen Flüssigkeitstropfen 1 und
eine hydrophobe, gasleitende und abführende Grenzfläche 12,
die der hydrophilen Grenzfläche 11 zugewandt
ist.
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Der
erste Kanal 10 kann eine Kapillarröhre sein, wobei in bestimmten
Beispielen der Durchmesser des ersten Kanals möglichst bei 100 Mikrometern liegt.
Kapillarkräfte
sind natürliche
Kräfte
und benötigen
somit keine äußere Energie,
so dass die Anwendung aktiver Bauteile, wie zum Beispiel von Ventilatoren,
usw., die externe Stromquellen benötigen, auf ein Minimum beschränkt werden
kann.
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Wenn
der Flüssigkeitstropfen 1 in
den ersten Kanal 10 eintritt, entstehen Kontaktwinkel,
die zwischen dem Tropfen 1 und der hydrophilen Grenzfläche 11 und
zwischen dem Flüssigkeitstropfen 1 und der
hydrophoben Grenzfläche 12 unterschiedlich sind.
Somit bewegt sich der Flüssigkeitstropfen
wegen des Druckunterschiedes und bedingt durch die Oberflächenspannung
zwischen dem Flüssigkeitstropfen 1 und
der hydrophilen Grenzfläche 11 und der
hydrophoben Grenzfläche 12 hin
zu der hydrophilen Grenzfläche 11,
wie dies in (b) der 3 dargestellt ist.
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Die
Elektrode kann auch mit einem zweiten Kanal 20 und einem
dritten Kanal 30 ausgebildet sein, die sich von einem Ende
des ersten Kanals 10 aus verzweigen.
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Der
zweite Kanal 20 kann die hydrophobe Grenzfläche 12 des
ersten Kanals 10 aufweisen, die sich ohne Unterbrechung
in den zweiten Kanal 20 erstreckt, wobei diese eine hydrophile
Grenzfläche 21 umfassen
kann, die der hydrophoben Grenzfläche 22 zugewandt ist
und die Flüssigkeiten
leitet und abführt.
Somit können
in dem Kanal sowohl eine hydrophile Grenzfläche 21 als auch eine
hydrophobe Grenzfläche 22 ausgeformt
sein, die ebenso bei dem ersten Kanal 10, dem zweiten Kanal 20 und
dem dritten Kanal 30 angewandt werden können.
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Der
dritte Kanal kann die hydrophile Grenzfläche 11 des ersten
Kanals 10 aufweisen, die sich ohne Unterbrechung in den
dritten Kanal 30 erstreckt; ebenso kann er eine hydrophobe
Grenzfläche 32 aufweisen,
die der hydrophilen Grenzfläche 31 zugewandt
ist und die Gas leitet und abführt.
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Somit
kann, wie dies in (c) der 3 dargestellt
ist, ein Flüssigkeitstropfen 1,
der sich entlang der hydrophilen Grenzfläche 11 des ersten
Kanals 10 bewegt hat, zu dem dritten Kanal 30 bewegt
werden, der eine hydrophile Grenzfläche 31 aufweist, die
sich ohne Unterbrechung aus dem ersten Kanal 10 erstreckt,
um schließlich
den dritten Kanal 30 zu verlassen.
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Auf
diese Weise kann durch Ausformung der Kathode als Kanal, wie dies
oben beschrieben wurde, das an der Kathode gebildete Wasser von
der Luft getrennt werden. Zusätzlich
ist die Erfindung, auch wenn bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
eine Elektrode gezeigt ist, die einen Y-förmigen Kanal bildet, nicht
hierauf eingeschränkt,
wobei es offensichtlich ist, das jede Ausbildung angewandt werden
kann, die Gase und Flüssigkeitstropfen
entlang einer hydrophilen Grenzfläche und einer hydrophoben Grenzfläche abtrennen
kann und die durch einen durchschnittlichen Fachmann ohne weiteres
hergestellt werden kann.
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Ebenso
kann der Beschichtungsvorgang für die
hydrophile Grenzschicht und die hydrophobe Grenzschicht, ohne hierauf
beschränkt
zu sein, einen Siebdruck, einen Spritzüberzug, eine Beschichtung mit
einem Abstreichmesser, ein Gravurstreichverfahren, eine Tauchbeschichtung,
ein Durchdruckverfahren, einen Farbauftrag und eine Schlitzformbeschichtung,
usw. umfassen.
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Außerdem ist
es offensichtlich, dass die hydrophile Grenzschicht und/oder die
hydrophobe Grenzschicht mit einem Polymermaterial beschichtet oder
mit einer Metallbeschichtung versehen werden kann.
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4 ist
eine Querschnittsansicht, in der die Trennung von Gas-Flüssigkeit
an einer Elektrode für eine
Brennstoffzelle gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der beanspruchten Erfindung dargestellt ist. In 4 sind
Flüssigkeitstropfen 1,
hydrophile Grenzflächen 11, 21, 31, 41, 51 hydrophobe Grenzflächen 12, 22, 32, 42, 52,
ein erster Kanal 10, ein zweiter Kanal 20, ein
dritter Kanal 30, ein vierter Kanal 40 und ein
fünfter
Kanal 50 dargestellt. Wie in dieser Zeichnung gezeigt ist,
kann der vierte Kanal 40 und der fünfte Kanal 50 so ausgebildet
sein, dass sie sich von dem Ende des zweiten Kanals 20 aus verzweigen.
Der vierte Kanal 40 kann die hydrophobe Grenzfläche 22 des
zweiten Kanals 20 aufweisen, die sich ohne Unterbrechung
in den vierten Kanal 40 erstreckt und kann eine hydrophile
Grenzfläche 41 einschließen, die
so ausgebildet ist, das sie der hydrophoben Grenzfläche 42 zugewandt
ist.
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Auch
der fünfte
Kanal 50 kann die hydrophile Grenzfläche 21 des zweiten
Kanals 20 aufweisen, die sich ohne Unterbrechung in den
fünften
Kanal 50 erstreckt und kann eine hydrophobe Grenzfläche 52 aufweisen,
die der hydrophilen Grenzfläche 51 zugewandt
ist.
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Wenn
eine große
Menge an Flüssigkeitstropfen 1 in
den ersten Kanal 10 eintritt, dann können sie sich entsprechend
den Oberflächeneigenschaften
zu der hydrophilen Grenzfläche 11 des
ersten Kanals 10 bewegen. Die Flüssigkeitstropfen 1,
die sich entlang der hydrophilen Grenzfläche 11 des ersten
Kanals 10 bewegt haben, können sich zu der hydrophilen Grenzfläche 31 des
dritten Kanals 30 bewegen und nachdem sie sich wiederum
entlang der hydrophilen Grenzfläche
bewegt haben, die entlang dem abzweigenden Kanal des dritten Kanals 30 ausgebildet
ist, können
sie nach außen
abgeschieden werden.
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Auch
diejenige Anzahl von Flüssigkeitstropfen 1,
die nicht von dem ersten Kanal 10 hin zu der hydrophilen
Grenzfläche 31 des
dritten Kanals 30 abgeschieden wurden, können sich
entlang der hydrophilen Grenzfläche 21 des
zweiten Kanals 20 bewegen und entlang der hydrophilen Grenzfläche 51 des fünften Kanals 50,
der von dem zweiten Kanal 20 abzweigt, um so abgeschieden
zu werden.
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Somit
kann man durch die Ausformung einer Mehrzahl von Kanälen durch
wiederholt abzweigende Kanäle
die Flüssigkeitstropfen 1 wirksamer
von Luft abscheiden.
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Außerdem kann
sich ein Flüssigkeitstropfen 1,
wie in 5 dargestellt, an der hydrophilen Grenzfläche 2 und
der hydrophoben Grenzfläche 3,
die entsprechend der Oberflächenbehandlung
des Kanals ausgebildet sind, entsprechend den Druckdifferenzen,
die durch die von den Kontaktwinkeln verursachte Oberflächenspannung
entstehen, bewegen, wenn der Flüssigkeitstropfen 1 die
hydrophile Grenzfläche 2 und
die hydrophobe Grenzfläche 3 berührt.
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6 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Zellenbausteins
einer Brennstoffzelle. In 6 sind ein
Zellenbaustein 200, eine Membranelektrodenanordnung 210 und
Abscheider 220 dargestellt.
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Ein
Stapel 200 von Brennstoffzellen kann die Form einer Vielzahl
von Zellenbausteinen 200 haben, von denen jede aus einer
Membranelektrodenanordnung 210 und Abscheidern 220 besteht,
die an beiden Seiten zusammenhängen
und so aufeinander gestapelt sind, dass sie elektrisch miteinander
in Serie geschaltet sind.
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Die
Membranelektrodenanordnung 210 kann so aufgebaut sein,
dass sie eine Brennstoffelektrode aufweist, die Brennstoff oxidiert
und die an eine Seite einer Polymerelektrodenmembran gekoppelt ist
und eine Luftelektrode, die ein Oxidationsmittel reduziert und die
mit der anderen Seite der Membran gekoppelt ist. Die Brennstoffelektrode,
die die Anode sein kann, und/oder die Luftelektrode, die die Kathode sein
kann, kann aus einer Katalysatorschicht, die in Berührung mit
der Polymerelektrodenmembran ausgebildet ist und einer Gasdiffusionsschicht
bestehen, die in Berührung
mit der Katalysatorschicht ausgebildet ist.
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Eine
Oxidationsreaktion von Wasserstoff oder Brennstoff kann an der Anode
und eine Reduktionsreaktion von Sauerstoff kann an der Kathode entstehen,
wo die Bewegung von hier entstehenden Elektronen Strom erzeugt,
wobei ebenso als Nebenprodukte Wärme
und Wasser auftreten.
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Der
erste Kanal, der eine hydrophile Grenzschicht aufweist, die auf
einer Innenfläche
ausgebildet ist, die Flüssigkeiten
führt und
abgibt und eine hydrophobe Grenzschicht, die der hydrophilen Grenzschicht
zugewandt ist und die Gase führt
und abgibt, kann als eine Elektrode in der Membranelektrodenanordnung
ausgebildet sein.
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Um
es genauer zu sagen, wenigstens eine der Brennstoffelektroden und
die Luftelektrode können
ein Elektrodenträgermaterial,
einen in dem Elektrodenträgermaterial
ausgebildeten ersten Kanal, eine erste hydrophile Grenzfläche, die
auf der Innenfläche
und auf einer Seite des ersten Kanals ausgebildet ist und Flüssigkeiten
führt und
eine erste Gas führende
hydrophobe Grenzfläche
aufweisen, die so ausgebildet ist, dass sie der ersten hydrophilen Grenzfläche zugewandt
ist.
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Zusätzlich können auch
ein zweiter Kanal und ein dritter Kanals vorgesehen sein, die sich
an dem Ende des ersten Kanals verzweigen. Der zweite Kanal kann
die hydrophobe Grenzfläche
des ersten Kanals aufweisen, die ohne Unterbrechung in dem zweiten
Kanal ausgeformt ist, während
der dritte Kanal die hydrophile Grenzfläche aufweisen kann, die ohne
Unterbrechung von dem ersten Kanal aus ausgebildet ist.
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Außerdem ist
es offensichtlich, dass zusätzlich
ein vierter Kanal und eine fünfter
Kanal vorhanden sein können,
die sich von dem Ende des zweiten Kanals aus verzweigen.
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Bildet
man somit das Elektrodenträgermaterial
der Kathode mit Kanälen
aus, die Kapillarkräfte anwenden,
so wie dies in 4 dargestellt ist, kann eine
zusätzliche
Membranelektrodenanordnung verwirklicht werden, und die Abscheidung
von Flüssigkeiten
und Gasen kann entsprechend den Oberflächeneigenschaften der hydrophilen
Grenzfläche
und der hydrophoben Grenzfläche
erreicht werden. Da auch die Anwendung von aktiven Komponenten externer
Stromquellen, wie zum Beispiel von Gebläsen auf ein Minimum reduziert
werden kann, kann das sich ergebende Brennstoffzellenprodukt kleiner
ausgebildet werden.
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In
den Abscheidern 220 sind Gasleitungen ausgebildet, die
den für
die Reaktion der Brennstoffzelle erforderlichen Brennstoff der Anode
und Sauerstoff der Kathode zuleiten.
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7 ist
eine schematische Darstellung, die ein Brennstoffzellensystem zeigt,
das eine Elektrode aufweist, die auf einem Aspekt der beanspruchten Erfindung
beruht. In 7 sind Membranelektrodenanordnungen 300,
Abscheider 301, ein elektrisches Generatorteil 310,
ein Brennstoffzuführungsteil 320 und
ein ein Oxidationsmittel zuführender
Teil 330 dargestellt.
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Das
Brennstoffzellensystem kann eine Membranelektrodenanordnung 300,
ein elektrisches Generatorteil 310, ein Brennstoffzuführungsteil 320 und ein
ein Oxidationsmittel zuführendes
Teil 330 aufweisen.
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Die
Membranelektrodenanordnung 300 kann eine Membran aufweisen,
eine Brennstoffelektrode, die mit einer Seite der Brennstoff oxidierenden
Membran gekoppelt ist und eine Luftelektrode, die mit der anderen
Seite der ein Oxidationsmittel reduzierenden Membran gekoppelt ist.
Genauer gesagt ist ein Paar von Elektroden vorgesehen, die Gasdiffusionsschichten
und Katalysatorschichten aufweisen, sowie eine Polymerelektrolytmembran,
die zwischen diesen Elektroden angeordnet ist.
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Die
Abscheider 301 können
auf jeder Seite der Membranelektrodenanordnung angebracht sein und
können
Gasleitungen zur Zuführung
von Brennstoff zu den Brennstoffelektroden und zur Zuführung von
Oxidationsmittel zu den Luftelektroden aufweisen. Der elektrische
Generatorteil 310 kann Elektrizität erzeugen, die durch die elektrochemische
Reaktion der Brennstoffzelle entsteht und kann die Membranelektrodenanordnung 300 und
die Abscheider 301 aufweisen.
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Der
Brennstoffzuführungsteil 320 kann Brennstoff
zu der Anode führen,
d. h. zu der Brennstoffelektrode, während der Oxidationsmittel
zuführende
Teil 330 das Oxidationsmittel zu der Kathode führen kann,
d. h. zu der Luftelektrode.
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Hier
können
wenigstens eine der Brennstoffelektroden und der Luftelektroden
ein Elektrodenträgermaterial
aufweisen, sowie einen ersten in dem Elektrodenträgermaterial
ausgebildeten ersten Kanal, eine erste hydrophile Grenzfläche, die
auf einer Innenfläche
und auf einer Seite des ersten Flüssigkeit führenden Kanals ausgebildet
ist und eine erste hydrophobe Grenzfläche, die der ersten hydrophilen Gase
führenden
Grenzfläche
zugewandt ist.
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Die
Dicke des ersten Kanals kann 100 bis 110 μm betragen; ein Ende des ersten
Kanals kann sich in einen zweiten Kanal und einen dritten Kanal verzweigen
und der zweite Kanal kann sich in einen vierten Kanal und einen
fünften
Kanal verzweigen, wobei festzuhalten ist, dass diese Verzweigung
mehrere Male vorkommen kann.
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Die
Anordnung der hydrophilen Grenzfläche und der hydrophoben Grenzfläche in dem
zweiten Kanal, dem dritten Kanal, dem vierten Kanal und dem fünften Kanal
sind die gleichen wie diejenigen, die mit Bezug auf 4 beschrieben
wurden; ebenso sind die Elektroden in der Membranelektrodenanordnung des
Brennstoffzellensystems die gleichen, wie die in 4 vorgesehenen
Kanäle.
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Wie
oben dargelegt wurde, kann Wasser, das gemäß einiger Ausführungsbeispiele
der beanspruchten Erfindung als Nebenprodukt an der Kathode entsteht,
von der Luft ohne zusätzliche
Einrichtungen abgeschieden werden, so dass die Ausführungsbeispiele
nicht nur die Möglichkeit
bieten sie in tragbaren elektronischen Geräten, sondern auch in Stromliefereinrichtungen
mit geringer Leistung einzusetzen.
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Zusätzlich kann,
da Kapillarkräfte
natürliche Kräfte sind,
die keine externe Zuführung
von Energie benötigen,
der Einsatz von aktiven Komponenten, wie zum Beispiel von Gebläsen, usw.,
die eine externe Stromquelle erfordern, auf ein Minimum reduziert werden.
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Während der
Geist der Erfindung detailliert und mit Bezug auf spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, dienen die Ausführungsbeispiele nur
der Erläuterung
der Erfindung und schränken
diese nicht ein. Es wird betont, dass der durchschnittliche Fachmann
die Ausführungsbeispiele
abändern oder
modifizieren kann, ohne von dem Schutzumfang und dem Geist der Erfindung
abzuweichen.